Nghiên cứu về xương khủng long tiết lộ rằng không phải tất cả những người khổng lồ đều giống nhau

Khi nhà cổ sinh vật học Michael D'Emic cắt vào xương của Majungasaurus, người thân của Tyrannosaurus rex đã lang thang ở Madagascar 70 triệu năm trước, ông nghi ngờ rằng những điều bất ngờ có thể ẩn giấu trong đó. Nhưng những gì anh tìm thấy đã thách thức mọi kỳ vọng.

Majungasaurus con trưởng thành dài tới 7 mét từ mõm đến đuôi và có thể nặng 1,000 kg. Các nhà cổ sinh vật học đã nghĩ rằng những loài khủng long lớn như những loài ăn thịt khổng lồ này đạt được tầm vóc của chúng thông qua các giai đoạn tăng trưởng nhanh chóng. Nhưng xương hóa thạch tiết lộ một câu chuyện khác. “Không giống như loài khủng long ăn thịt đã được nghiên cứu cho đến lúc đó,” D'Emic nói, Majungasaurus phát triển "rất, rất chậm."

Bối rối, anh ta xẻ thịt một họ hàng gần của khủng long - một Ngũ cốc từ Bắc Mỹ, có chiều dài và trọng lượng gần bằng nhau — để xem liệu nó có phát triển chậm không. Lần này, “chúng tôi nhận được kết quả ngược lại,” anh nói. “Nó lớn nhanh hơn bất kỳ loài khủng long ăn thịt nào mà tôi từng thấy.”

Những gì diễn ra sau đó đối với D'Emic là một cơn lốc kéo dài hàng thập kỷ trong việc xem xét xương để tìm manh mối về cách thức khủng long phát triển. Phân tích của ông về 42 loài khủng long khác nhau, được xuất bản gần đây trên tạp chí Khoa học, chứng minh rằng phương thức tăng trưởng “lớn nhanh” ít chiếm ưu thế hơn so với giả định của các nhà nghiên cứu.

Đó là một cái nhìn sâu sắc mà các nhà nghiên cứu nghĩ rằng có thể phù hợp với động vật hiện đại ở mọi kích cỡ, và không chỉ với những người khổng lồ thời tiền sử. D'Emic, phó giáo sư sinh học tại Đại học Adelphi ở New York, cho biết: “Thật dễ dàng để một loài động vật tiến hóa để có kích thước cơ thể lớn hơn bằng cách phát triển chậm hơn trong thời gian dài hơn là phát triển nhanh hơn.

Việc một con vật phát triển ngày càng nhanh hơn hay chậm hơn và lâu hơn có vẻ giống như một sự phân biệt khó hiểu. Nhưng quỹ đạo tăng trưởng của một con vật cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cuộc sống của nó và thế giới mà nó sinh sống. Động vật phát triển nhanh có thể chế ngự những kẻ săn mồi tiềm năng và vượt trội so với các loài khác, nhưng chúng cần nhiều thức ăn và các nguồn tài nguyên khác. Tăng trưởng chậm sẽ rủi ro hơn, nhưng nó cho phép một con vật sống sót ít hơn trong thời kỳ khó khăn. xương của Majungasaurus, chẳng hạn, xác nhận rằng, với tư cách là kẻ săn mồi hàng đầu trong hệ sinh thái cổ xưa của nó, nó có quyền phát triển với tốc độ nhàn nhã.

Hiểu các chiến lược tăng trưởng cũng giúp giải thích tại sao một số loài khủng long trở nên to lớn trong khi những loài khác lại nhỏ bé. Kích thước cơ thể có thể ảnh hưởng đến mọi thứ, từ thời gian sống của một con vật đến số lượng con cái của nó, giải thích Santiago Herrera Álvarez, một nhà sinh vật học tiến hóa và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Chicago. Tuy nhiên, “đáng ngạc nhiên là chúng tôi không có nhiều thông tin [về] các cơ chế phát triển hoặc di truyền quan trọng làm cơ sở cho sự thay đổi kích thước cơ thể giữa các loài động vật,” ông nói. Các nghiên cứu như của D'Emic bắt đầu mở chiếc hộp đen đó.

gãy xương

Xương chứa những bí mật về lịch sử cuộc sống của một con vật. Những lỗ hổng do các mạch máu lâu ngày để lại có thể tiết lộ một tốc độ trao đổi chất của sinh vật. Lúm đồng tiền thu nhỏ trong xương hình thành trong quá trình chữa lành gợi ý tại chấn thương từ những trận chiến cổ đại. Các đường mảnh trong xương — giống như các vòng sinh trưởng trên cây — có thể cho biết tuổi của động vật bằng cách đánh dấu nơi sự phát triển của vỏ xương chậm lại hoặc ngừng lại trong mùa khô hoặc mùa đông hàng năm.

Với xương, “chúng ta có thể xem những con khủng long của chúng ta lớn lên,” nói P. Martin Sander, một nhà cổ sinh vật học tại Đại học Bonn ở Đức, người không tham gia nghiên cứu. “Cách hợp lý duy nhất để suy luận hoặc thậm chí quan sát cách con khủng long đó phát triển là với cấu trúc vi mô của chính nó.”

Do đó, để có được câu trả lời mà mình muốn, D'Emic đã chuyển sang nghiên cứu về cổ sinh học - nghiên cứu về các mô hóa thạch dưới kính hiển vi. Kỹ thuật của nó không thay đổi nhiều trong gần hai thế kỷ: Cắt xuyên qua xương cổ đòi hỏi lao động cường độ cao, thường là bằng lưỡi kim cương giống như của thợ kim hoàn. Các viện bảo tàng có thể miễn cưỡng bàn giao hóa thạch của họ cho những phân tích hủy diệt như vậy nhưng điều đó đã bắt đầu thay đổi trong những thập kỷ gần đây. Để đổi lấy “theo nhiều cách, phần nhàm chán nhất của xương… bạn đang có được cơ hội tuyệt vời này để tìm hiểu cách sống của con vật,” D'Emic nói.

Trong nhiều năm, D'Emic và các đồng nghiệp của ông đã phân tích hơn 80 xương từ 42 loài khủng long chân đốt, loài khủng long hai chân, chủ yếu là loài ăn thịt sống cách đây từ 66 triệu đến 230 triệu năm và là loài sinh ra các loài chim. Trong cuộc sống, những con khủng long đó có kích thước từ mèo nhà đến T. rex. Các tấm xương mỏng mà các nhà nghiên cứu lấy ra, một số rộng bằng quả bóng khúc côn cầu, phải được chà nhám xuống độ dày XNUMX/XNUMX milimét - đủ mỏng để nhìn xuyên qua, nhưng không đủ mỏng để bẻ gãy. Ngay cả khi đó, các vòng tăng trưởng vẫn quá hẹp để có thể kiểm tra bằng mắt một cách hiệu quả. “Bạn đang cố nhìn những thứ dày bằng một phần mười sợi tóc,” D'Emic nói. Chỉ bằng cách chồng lên hàng trăm hình ảnh ở các độ phóng đại khác nhau, các nhà nghiên cứu mới có thể có được các phép đo họ cần.

Trong mỗi lát xương, các nhà nghiên cứu tìm kiếm khoảng cách lớn nhất giữa các vòng xương để tìm ra năm con vật lớn nhất. Tốc độ tăng trưởng hàng năm tối đa đó được so sánh với khối lượng cơ thể của khủng long, mà họ suy ra từ kích thước của xương đùi và xương ống chân. Sau đó, nhóm đã xem xét kỹ các xu hướng tiến hóa về kích thước so với tốc độ tăng trưởng trong các dòng dõi khác nhau.

Khoảng 60% các loài theropod được lấy mẫu lớn hơn tổ tiên của chúng. Nhưng trong số đó, phân tích xương của D'Emic cho thấy sự phân chia gần như đồng đều giữa các loài phát triển nhanh hơn tổ tiên của chúng và các loài phát triển lâu hơn. Chiến lược ưa thích không giới hạn mức độ lớn hơn của theropods. Ví dụ, một số loài khủng long bạo chúa đã tăng khối lượng cơ thể lên hơn 200% chỉ trong một năm, trong khi những loài khác cuối cùng cũng đạt được khối lượng tương tự sau nhiều năm phát triển.

Điều tương tự cũng đúng với 40% loài bị thu nhỏ: Khoảng một nửa nhỏ hơn so với tổ tiên của chúng vì chúng lớn chậm hơn và một nửa vì chúng lớn trong thời gian ngắn hơn.

Không có xu hướng tổng thể nào về dòng dõi theropod trở nên lớn hơn hoặc nhỏ hơn trong suốt quá trình tiến hóa của chúng - với một ngoại lệ. Trong dòng dõi dẫn đến các loài chim, phân tích mới cho thấy tốc độ tăng trưởng hàng năm giảm liên tục. Xu hướng đó có lẽ đã góp phần làm chúng thu nhỏ lại - một sự thay đổi mà cuối cùng đã giúp một số loài theropod trở nên đủ nhỏ để bay.

"Các Tyrannosaurus là bằng cách nào đó tổ tiên của một loài chim”, Sander nói. "Bạn phải làm cho nó nhỏ hơn."

Con đường ít kháng cự nhất

Các nghiên cứu trước đây thường cho rằng tốc độ tăng trưởng cực đại nhanh là yếu tố quyết định kích thước ở khủng long, chim và động vật có vú. Nhưng phân tích mới cho thấy rằng theropods thay vào đó cũng có khả năng kiểm soát thời gian phát triển của chúng - một chiến lược thay thế trước đây chỉ được xác định ở một số nhóm, bao gồm cá sấu và một số loài thằn lằn.

Những gì D'Emic và các đồng nghiệp của ông tìm thấy ở theropods cuối cùng có thể trở thành quy tắc hơn là ngoại lệ. Trong bài báo của mình, họ lưu ý rằng các nghiên cứu trước đây về chiến lược tăng trưởng thường chỉ là so sánh hạn chế giữa một số loài hơn là nghiên cứu toàn diện về dòng dõi.

Ông nói: “Linh cảm của tôi là một khi các nhóm động vật khác được nghiên cứu, chúng ta sẽ tìm thấy điều tương tự. “Chúng ta sẽ thấy rằng sự tiến hóa chỉ đi theo con đường ít kháng cự nhất” và sử dụng bất kỳ chiến lược nào dễ dàng nhất.

Kevin Padian, một nhà cổ sinh vật học tại Đại học California, Berkeley, đã đồng ý rằng sự thay đổi trong các chiến lược tăng trưởng là điều có thể xảy ra do nhu cầu và hạn chế về môi trường đối với mỗi loài động vật là khác nhau. Ông nói trong một email: “Mỗi loài làm công việc riêng của mình và chiến lược tăng trưởng của chúng phản ánh điều đó. Anh ấy nói thêm, sẽ rất tốt nếu nhân đôi dự án theropod của D'Emic trong các nhóm động vật có xương sống khác.

D'Emic coi công việc của mình như một điểm khởi đầu cho nhiều hướng đi mới. Anh ấy hiện đang nghiên cứu về loài pantodonts, một nhóm động vật có vú giống hà mã đã tuyệt chủng tiến hóa nhanh chóng để trở nên khổng lồ ngay sau khi loài khủng long tuyệt chủng và ngay trước thời kỳ nóng lên toàn cầu dữ dội. Ông nói, việc tìm ra cách biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng và quy mô có thể có ý nghĩa đối với bảo tồn hiện đại.

Sander quan tâm đến việc các chiến lược tăng trưởng này liên quan như thế nào đến tốc độ trao đổi chất. “Đối với tôi, đây cũng là lý do biện minh cho việc nghiên cứu khủng long, không chỉ vì chúng tuyệt chủng và tuyệt chủng, mà còn vì loại công việc này mở rộng phạm vi những gì chúng ta thấy ở động vật sống,” anh nói.