科教片里那個巨物橫行的時代，為何一去不復返了？

對史前生物感興趣的肯定都知道，史前有很多巨型動物，但是現(xiàn)在我們身邊的動物似乎都不是很大，那些大的動物為什么就不存在呢？今天來和大家說說。

本文分為三大部分，分別是：史前巨型昆蟲，史前巨型恐龍和當代巨型哺乳動物。他們體型巨大的因素有一些區(qū)別，分別來介紹一下。

01，史前巨型昆蟲

1米大的蜻蜓（Meganeura monyi），3米左右的巨型蜈蚣（Arthropleura armata）

一系列巨型的生物，在泥炭紀的時候，開始廣泛出現(xiàn)在地球上。

如果你穿越到了那個時候的地球，你可能就像來到了電影里《地心歷險記》里看到的全是巨型生物。

這是為什么呢？一種理論是氧氣。地球歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過氧氣含量超過30%的情況，含氧量的增加，使得昆蟲有了長大的可能性。因為許多昆蟲是通過遍布全身或部分肌體的氣管吸收氧氣的。

在同一環(huán)境下，體型越大，氣管（呼吸系統(tǒng)）體積就越大。

當氧氣濃度高時，生物不需靠增大呼吸系統(tǒng)的體積來為增大的體型提供更多氧氣，因此呼吸系統(tǒng)對體型的限制影響降低了，允許生物向更大體型進化。

說到這里不得不提下地球的氧氣歷史。

02，插播——地球的氧氣歷史

今天的我們生活在一個氧氣含量21%的綠色世界，然而，地球最初，是沒有氧氣的。地球上最早的生命是紫色而不是現(xiàn)在的綠色。遠古微生物可能使用分子而不是葉綠素捕獲太陽光，因此，這讓生物體呈現(xiàn)出紫色色調(diào)。而那個時候會進行光合作用產(chǎn)生氧氣的藍綠細菌只能躲在更深的海水下面吸收紫細菌吃剩的藍紫光。

大氧化事件，是指約26億年前，大氣中的游離氧含量突然增加的事件。這一事件的具體原因尚不得知，目前只有若干種假說能加以解釋。有說法認為，是由于海藻類植物進行光合作用，使得地球上的氧氣迅速增加，而破壞氧氣的甲烷細菌所依賴的鎳的數(shù)量急劇減少，使得大氣中的含氧量大量增加，所以稱為“大氣氧化事件”。大氧化事件使得地球上礦物的成分發(fā)生了變化，也使得日后動物的出現(xiàn)成為了可能。

簡單地說，在這之前，地球可以簡單的認為是無氧/厭氧環(huán)境（氧含量0.02%），氧主要以化合物的狀態(tài)存在于水或巖石中。而在這之后，地球大體上變成了有氧環(huán)境（最高據(jù)說是30%多，現(xiàn)在是21%）【1】。

上圖為大氣中氧氣變化趨勢圖，箭頭所指出即為大氧化事件

38-24.5億年前: 大氣中基本無氧氣

24.5-18.5億年前: 氧氣產(chǎn)生，但是被海洋和海底巖ll石吸收

18.5-8.5億年前：氧氣從海洋中冒出，被陸地表面吸收，以及形成臭氧層。

8.5億年前-現(xiàn)在：氧氣不斷聚集。

而在此后，出現(xiàn)了一個改變地球生態(tài)的現(xiàn)象，那就是，植物開始登陸！最早登陸地球的植物也只是為了生存，結果他們無限繁殖的過程中引發(fā)了一次地球生態(tài)危機。

最初的植物沒有葉子，由于植物的光合作用，使得地球上的氧氣含量逐步增加，經(jīng)過大概一億年的野蠻生長，到了石炭紀（3.6-2.8億年），地球的含氧量達到了史無前例的高，超過了30%，高濃度的氧氣，使得地球產(chǎn)生了無數(shù)巨型動物，史前怪獸，比如超過一米的蜻蜓。

然而，植物史上第一次危機出現(xiàn)了！這次危機，差點毀掉了自然界。

那個時候的植物，瘋狂的吸收二氧化碳，然后結果，一瞬間，地球的二氧化碳，不夠用了?。。§F草，什么鬼，二氧化碳不夠用了？沒錯，看到今天的溫室效應，你是不是覺得很離奇？

但是事實就是這樣，地球上的二氧化碳不夠光合作用了。植物靠吃二氧化碳為生（光合作用原料：水，二氧化碳），一旦二氧化碳沒有了，那植物就無法維持了，于是植物上第一次危機就這么誕生了。

光合作用的原料

無數(shù)植物死亡了。而這個時候，多虧真菌的出現(xiàn)，分解了尸體，開始彌補二氧化碳不足，同時有部分植物開始尋找新的路徑，于是葉子開始登上了舞臺。最后，達到了今天的一個相對平衡，就是有分解的，也有產(chǎn)生的。

巨型是一種力量優(yōu)勢，但也是一個壓力。對于巨型生物來說，食物是一個核心的制約因素，也是選擇壓力。我們普通人一天2斤吃飽了，一頭鯨一天得吃好幾噸。所以，能夠形成巨型生物，食物是個核心因素~

03，巨型爬行生物

當然，我相信很多人要聊的是另一種巨型生物，恐龍為代表的爬行類（其實恐龍是一個目，分類非常復雜，只是為了科普就直接用恐龍這個詞了）。其實恐龍是一個非常復雜的群體，有大的有小的，有肉食性的也有植食性的，本文主要討論大型植食性的。

那個時候地球上出現(xiàn)了非常多的巨型生物，比如體長能有35-40米阿根廷龍，體重在90噸左右。當然也有很多人熟悉的馬門溪龍等，都是非常巨大的

為什么那個時代巨型生物那么多？兩個原因

1：食物充沛。這是我上面提到的植物的因素，植物在登陸地球后，由于缺乏足夠多的敵人，導致植物異常泛濫，而植食性恐龍是以植物為食物的。因此食物不缺乏，自然缺乏足夠的選擇壓力。否則要是地球食物不足，比如把恐龍丟到寒武紀，它們直接餓死了。

2：巨溫（中溫）優(yōu)勢。說到動物溫度，大家一定想到變溫動物和恒溫動物，前者比如爬行類，后者比如哺乳類。但是恐龍是哪個類型呢？其實恐龍不宜用上面的兩種辦法描述，而是用內(nèi)溫性和外溫性來描述。

通俗的說，一個生物的溫度，主要靠什么？一部分生物是主要通過外部溫度改變來調(diào)節(jié)溫度的，典型的就是變溫動物，他們十分容易受到溫度影響，甚至連孵化雌雄都是和溫度有關。另一部分生物則是通過體內(nèi)新陳代謝來維持的，典型的是哺乳動物，可以長期維持一個恒定溫度，不論冰天雪地還是赤日炎炎。

恐龍是哪一種呢？處于一個過渡階段，而它們可能是都具備，因為恐龍是一個目，擁有無數(shù)的類型，就像今天的地球生態(tài)系統(tǒng)一樣，有的是內(nèi)溫性，有的是外溫性，而還有一類巨型的，應該用另一個詞：巨溫性（也叫中溫性）。什么是巨溫性？

相信大家一定記得一個生物學理論，叫貝格曼定律律，就是，生活在冷的地方動物體型反而大些。其原理是比表面積的問題。以一個理論上的球形雞為例，

球的表面積計算公式:球的表面積=4πr^2,r為球半徑 .

球的體積計算公式:V球=(4/3)πr^3,r為球半徑

球的相對表面積是3/r。也就是說，相對表面積跟半徑成反比。直觀的，如下圖所示。隨著半徑增加，體積的增加速度明顯高于表面積增加速度

二者的比例，即相對表面積變化趨勢，這就是隨著半徑增加，相對散熱面積顯著下降。

對于恐龍來說，巨大的體型，就產(chǎn)生了規(guī)模效應，那就是巨溫性。對于部分恐龍，巨大的體型優(yōu)勢使得他們可以減輕散熱，從而維持好體溫。既不像恒溫動物需要通過增加新陳代謝來維持體溫了，又不像變溫動物隨著日光變化。

所以，巨型恐龍由于體積效應產(chǎn)生了巨溫性，反而降低了能量消耗。

04，當代的巨型生物

對于當代的大型生物，少了爬行類，反而是哺乳類，典型的是以鯨和大象為代表的哺乳類。其實，如果你仔細比較下，會發(fā)現(xiàn)，這些巨型動物，基本上是植食性的，或者攝入那些特別容易捕獲的生物。為什么？關鍵還是：食物。

一個巨型的生物，對食物的需求量超級大。像大象這種一天不停吃東西的，才能維持巨型體型。但是大象體型也就是那樣大了，再大下去很難了。

而鯨是個例外，為什么？這是因為海洋。

還記得物理學上的比熱概念吧，水的比熱容是4.2*10^3焦/千克，比很多固體高多了。而高比熱的結果就是水體溫度變化較小，具有強大的溫度調(diào)節(jié)能力，甚至整個地球的溫度維持都一定程度上和水有關（當然背后根本還是太陽）。

鯨的進化路線

對于鯨這種哺乳動物來說，生活在海洋中，可以利用水溫變化小的優(yōu)勢，從而不需要大量增加新陳代謝來維持體溫。當然，我認為，鯨本身也是有一定的巨溫性的。

好了，到此為止，給個結論。

對于史前昆蟲，體型巨大的因素之一是氧氣；對于史前恐龍，體型巨大的因素是食物和巨溫性；對于當代哺乳類，體型巨大的因素依然是食物和溫度。當然，恐龍說處的時代，氧氣濃度也是比現(xiàn)在略高的，肯定有一些優(yōu)勢在里面的。

1、Holland H D. The oxygenation of the atmosphere and oceans[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 2006, 361(1470): 903-915.