体积-密度方法基于来自中学物理的最为基本的知识,即物体质量是体积和密度的乘积 。 也就是说,我们可以把“求恐龙的体重”这个问题,从物理学上等价为“求恐龙的体积和它们的密度” 。
而对于体积和密度两个值,密度是相对比较容易得到的 。 通过研究现生动物,我们知道动物身体内部绝大部分内容都是水,平均起来的密度也一般和水的密度接近或者略低 。 因此对于恐龙的密度,一般是假设一个接近或者等于水的密度的值 。
但求得灭绝恐龙的体积,从不是一个容易的问题 。 一百多年来,关于恐龙体积的估计方法一直在迭代 。 前文提到的格雷格利首次估计恐龙体积的方法,用当今科学的视角来看,可能有些滑稽 。 他用了经典的阿基米德测量思路,把同事,古生物复原师查尔斯奈特制作的1:16 雷龙复原模型丢到了水里,求出了模型的体积,进而推算了等比例放大之后的雷龙真实体积 。 他假定雷龙的密度是和水相当,得到了科学界第一个对恐龙的体重估计,34.1吨 。
图表 3 这个模型现在还保存至美国纽约的美国国家自然历史博物馆内,即使以今天的标准看,这也是一个不错的复原模型(图片来自参考文献2,原始照片展览于美国自然历史博物馆) 。
但相信读到这里,大家不免会产生一种疑问:这种复原方法基于恐龙模型,未免也太主观了吧?
确实如此,虽然说这些模型可能来自一线古生物学家的设计,但我们对恐龙真正形态的认识,是在不断变化和完善的 。 就拿大家熟悉的霸王龙来说,当今的复原与百年前的复原,无论是在站立姿势、肌肉分布上都有非常大的区别 。 况且,我们现在对某种恐龙形态的认识就一定是正确的吗?当然不是 。 每天都有新的发现和新的研究,颠覆着古生物学家们对各种恐龙的认识 。
图表 4 我们可以见到,对于霸王龙这种人类了解最为详细的恐龙,它的复原在过去一个世纪,也经历了很多变化 。 图片来源:维基百科 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:T._rex_old_posture.jpg
科学家们对于熟悉的恐龙的复原尚不能确定,那么对于那些不为人所熟悉的,或者新发布的恐龙来说,一个一个请科学家或者复原艺术家去捏它们的“手办”的思路,显然是不现实的 。 因此,科学家们逐渐开发了更多新的定量手段去估计恐龙体型,进而估算体重 。
从上世纪六十年代开始,古生物学家们逐渐应用基于数学公式的几何模型去估算不同化石物种的体型 。 最早这种估计方法基于的是二维数据,很多时候就是将化石骨架的照片通过一些几何手段转化成三维模型 。 这种方法得到的结果,当然就像“真空中的球形鸡”那样,虽然非常容易得到结果,但也被诟病过于理想化,准确率太低 。
图表 5 Grant Hurlburt 在1999年发表的一种通过对化石装架拍几张照片,就可以构建简单二维-三维模型,进而估计体型、体重的方法 。 图片来源:Hurlburt, 1999 。
然而令人没有想到的是,进入二十一世纪后,随着一种新的研究手段在古脊椎动物学领域的广泛推广,体积-密度方法这棵百年老树焕发了新春 。
以包括高精度X光断层扫描(CT)、激光表面扫描和同步辐射扫描为代表的三维成像技术在过去的二十年中广泛地应用在古生物学的各个领域 。 大量的恐龙化石经过扫描,变成了可以在计算机中自由编辑的三维模型 。 这样,“捏手办”这种方法难以广泛推广的缺点,逐渐得到了解决 。
同时,科学家们对恐龙的肌肉及其与骨骼的关联模式有了更清楚的认识,基于恐龙骨架的三维模型去复原恐龙本体的过程也不再像一百年前那样,仅仅依照古生物学家的经验和想象力,而是有了更多比较解剖学和功能形态学的依据 。
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