大约7500万年以前,在现在的加拿大艾伯塔省区域,有一只叫Euoplocephalus的恐龙,完成了它生命中的最后一次呼吸。那次呼吸,和其它动物的呼吸一样,也是短暂的、看不见的。但是在今天,科学家却在恐龙的脑袋外面重建了它的鼻腔,研究发现这条鼻腔通道异常复杂。
Euoplocephalus 是甲龙的一员——一种像坦克一样的被片状骨骼覆盖身体的恐龙。他们的头盖骨和背部都被这种片状骨板覆盖,偶尔眼睑也会被覆盖。甚至于头盖骨内部的鼻腔通路也是由骨骼引导的,这些纤弱的结构不易保存,通常会随着时间而丢失。
大约一个世纪以前,古生物学家第一次注意到,这些通道包含着许多非常奇怪复杂的腔室和管道。他们认为这些是从简单中央通道所延伸出来的一系列分支,也就是人类鼻腔通道的一个轻微复杂的2.0版。但是2008年,Ohio大学的Lawrence Witmer 和Ryan Ridgely,在将一些甲龙的头骨通过医用CT扫描仪进行处理时,发现了真相。
扫描揭示了甲龙鼻腔通道不同寻常的结构——不是中央通道的分支,而是单独的反复曲折的空气通道,就像过山车通道或是扭扭吸管。这些通道远比其他脊椎动物要复杂,并且非常的长。Witmer说:“Euoplocephalus的头盖骨的长度大概是手腕到手肘那么长,而它的鼻腔通道如果展开,长度大概是从你的指尖到你的肩部那么长。”
由于大型动物在中生代的太阳下会在体内保持很多热量,Witmer 和Ridgely认为这些曲折的通道就像是为甲龙大脑精心设计的一部空调。Witmer说道:“身体的热量会通过血液从核心处传递到大脑,尽管这些恐龙的大脑是出了名的小,那毕竟也是个大脑(大脑对温度很敏感)。”大脑对温度的上升特别敏感,这也是为什么心脏出现病变时首先会昏倒。所以甲龙以及其他的大型恐龙是怎么保持大脑的冷却呢?
Witmer猜想,所有的奥秘都在鼻子上。血管中的血液从身体经过长长的鼻腔血管到达头部。每次当甲龙吸气的时候,冷空气会通过盘旋曲折的鼻腔通道吸收血液的热量,从而使血液到达大脑之前冷却下来。
Witmer的同事Jason Bourke和Ruger Porter已经对这个想法进行了验证。他们使用医用扫描仪创建了两个甲龙的头骨的数字复制品——分别叫Euoplocephalus 和Panoplosaurus。然后他们通过一些在航空工程经常使用的技术在这些虚拟的鼻腔模拟空气流动。
根据模拟,在甲龙吸气时,长长的鼻腔通道逐渐将空气加热到华氏36度,即空气温度从室温升高到体温,而血液能够在这个过程中被冷却。当甲龙呼气时,通过盘旋曲折的鼻腔通道,空气所吸收的热量中的大部分将会被返还给身体(我们人类的鼻腔也遵循着这个简单的原理,这也是为什么你会觉得从嘴里呼出的气比鼻子呼出的气更热。)
研究团队还在虚拟头骨的基础上展开了其他研究。在一次实验中,他们将甲龙的鼻腔通道变得像我们人类一样又短又简单。此外,他们还将甲龙的鼻腔通道拉直,但是长度不变。在这两种情况下,吸气时的加热效应都会大幅度减弱。当吸气时加热效应减弱时,紧挨的血管中的血液就不能被有效的降温。所以,鼻腔通道的长度和蜿蜒曲折是确保“空调”有效的方法。
多伦多皇家安大略博物馆甲龙专家Victoria Arbour说道:“这次恐龙生物学方面的深入研究非常令人着迷,因为研究恐龙呼吸时空气如何从外界到达大脑是一件困难的事情。这项研究有着很重要的意义,特别是当许多恐龙生活在干燥酷热的环境中。我们可以从中看出恐龙是怎么适应这一环境的。
” 贵湖大学Matthew Vickaryous老师提到了研究中所涉及的两种恐龙,而Euoplocephalus 是体型更大鼻腔通道更长更复杂的那种。所以,体型和鼻腔通道是相关的吗?大型的生物更不容易散热,所以需要更蜿蜒曲折的鼻腔通道来给血液降温吗?所以,世界上体型最大的恐龙(身长八米的Ankylosaurus)鼻腔内的呼吸道结构是怎样的呢?
今天,可以说我们能够回答这个问题了,因为“我们可以从不断发现的甲龙上获得扫描的CT数据”,Vickaryous说到。
来自芝加哥大学的Tetsuto Miyashita对此表示认同。他甚至认为Witmer的研究“在古生物学方面开创了一个新的领域”,即在复杂的物理学和混乱的生物学中间嵌入了一根导火线。Miyashita说:“下一个会是什么呢?比如,没人在此模型基础上对鼻腔进气道的共鸣进行虚拟重建,以研究它工作原理是否和喇叭相同。我希望他们可以试试。”