大型恐龙进化出不同的冷却系统来对抗中暑

不同的恐龙群体独立地进化出巨大的体型，但是它们都面临着过热和大脑受损的同样问题。俄亥俄州大学传统骨科医学院的研究人员在《解剖记录》的一篇新文章中指出，不同的巨型恐龙以不同的方式解决了这个问题，在头部的不同部位发展了不同的冷却系统。

这项研究的主要作者，解剖学教学助理教授鲁格·波特说：“大脑和诸如眼睛的感觉器官对温度非常敏感。” “当今的动物通常具有精心设计的温度调节策略，通过在各种血管网络周围穿梭冷热血液来保护这些组织。我们想看看恐龙是否在做同样的事情。”

实际上，许多著名的巨型恐龙（如长颈蜥脚类恐龙或铠甲甲龙）实际上是独立于小体祖先而进化出的大体。研究合著者劳伦斯·威特默（Lawrence Witmer）教授说：“小型恐龙本来可以降温的，但是对于那些巨型恐龙，过热的可能性几乎是无法避免的。它们必须具有控制脑温的特殊机制，但是他们是什么？”

答案原来是基于物理学的，但仍然是我们日常经验的一部分。波特说：“使物体冷却的最佳方法之一是蒸发。” “建筑物和汽车中的空调单元利用蒸发，而汗水的蒸发冷却使我们在夏天保持舒适。为了冷却大脑，我们查看了有水分可以蒸发蒸发的解剖部位，例如眼睛尤其是鼻腔和口腔。”

为了检验这个想法，研究小组研究了现代恐龙的亲戚-鸟类和爬行动物-研究确实表明，鼻子，嘴巴和眼睛中水分的蒸发使血液流向大脑的方式冷却了。

Porter＆Witmer的最新研究表明，不同的恐龙群体具有不同的热生理策略，以帮助面对高热负荷时调节大脑温度。掠食性兽脚亚目恐龙（例如霸王龙，异特龙和大君龙）发展了一种大脑冷却策略，该策略涉及在口鼻部形成高度血管性的空气窦，通过颚的运动将空气泵入鼻窦。该视频是由WitmerLab的Ryan Ridgely制作的，显示了颌部的波纹管泵状动作，用于将空气进出空气窦。窦周围的血液将被冷却并引导至大脑以帮助调节温度。图片来源：俄亥俄州大学WitmerLab。
波特和威特默从动物园和野生动植物恢复设施获得了死于自然原因的鸟类和爬行动物的尸体。使用威特默实验室开发的一种技术，该技术可使动脉和静脉出现在CT扫描中，从而能够追踪从蒸发冷却部位流向大脑的血流。他们还精确测量了输送血管的骨管和沟槽。

波特说：“关于血管的方便之处在于，它们基本上将它们的存在写入骨头中。” “我们在现代鸟类和爬行动物中看到的骨质运河和沟槽是我们与恐龙化石的联系。我们可以利用这种骨质证据来恢复绝种恐龙的血流模式，并希望能一窥它们的热生理学和他们如何处理热量。”

“发现不同的恐龙以各种方式冷却大脑的发现，不仅为了解恐龙的日常生活提供了一个窗口，而且还证明了特定环境条件所施加的物理约束如何塑造了这种多样化的进化过程。美国国家科学基金会的项目负责人莎朗·斯沃兹（Sharon Swartz）说，该基金会为研究提供了资金。“结合技术创新和生物学专业知识，这些研究人员能够直接读取化石记录，从而提供有关恐龙骨骼形态和功能如何进化的新线索。”

俄亥俄州大学WitmerLab的现任和前任成员组成的团队此前曾研究过其他恐龙生理学案例。在2014年和2018年，前博士生Jason Bourke领导了涉及Porter和Witmer的项目，分别涉及大头龙和甲龙的呼吸和热交换。最近，前实验室博士生Casey Holliday领导了Porter和Witmer的一个项目，该项目研究了霸王龙和其他可能具有温度调节功能的恐龙的头骨顶上的血管。

波特和威特默（Porter and Witmer）进行的这项新研究是一项更广泛的定量研究，结果表明，就大型恐龙如何保持大脑凉爽而言，“一个大小并不能完全适合所有人”。也就是说，他们有不同的温度调节策略。研究人员研究了恐龙的骨管大小，以根据流过它们的血液量来评估蒸发冷却不同部位的相对重要性。

Porter和Witmer的最新研究表明，不同的恐龙群体具有不同的热生理策略，以帮助他们面对高热负荷时调节大脑温度。在不同的热交换部位蒸发冷却的血液穿梭到大脑区域，以帮助调节大脑温度。由Ryan Ridgely生成的3D模型复制了Porter＆Witmer（2019）图1的内容。像剑龙这样的小体恐龙有均衡的血液供应模式，没有特别强调任何一个热交换部位，而大体恐龙则有更集中的热策略，强调流向鼻腔（Euoplocephalus），口腔和鼻腔的血流区域（Camarasaurus），或眶上鼻窦（Majungasaurus）。重点散热策略的发展与大尺寸人体的进化有关。图片提供：俄亥俄州大学WitmerLab。
关键因素竟然是身体大小。较小的恐龙（例如山羊大小的蛇头龙）具有非常平衡的血管分布，没有特别强调单个冷却区域。波特说：“这具有生理意义，因为较小的恐龙几乎没有过热的问题。” “但是像蜥脚类恐龙和甲龙这样的巨人却增加了血液流向头部特定的冷却区域，远远超出了单纯滋养组织所必需的范围。” 这种不平衡的血管模式使大型恐龙的热策略更加集中，从而强调了一个或多个冷却区域。

但是，虽然像梁龙和Camarasaurus的蜥脚类恐龙和像Europlocephalus的甲龙都具有不平衡的血管模式，强调了某些冷却区域，但它们仍然存在差异。蜥脚类动物强调鼻腔和嘴巴为冷却区域，而甲龙只强调鼻子。波特说：“蜥脚类动物可能很大（通常重达数十吨），以至于在热应激时需要将嘴巴作为冷却区域。” “讨人喜欢的蜥脚类动物可能很常见！”

研究人员遇到的一个问题是，许多兽脚亚目恐龙（例如10吨霸王龙）也是巨大的，但定量分析表明它们具有平衡的血管形态，如小体恐龙。

威特默说：“这一发现使我们挠头，直到我们注意到明显的区别-兽脚龙和霸王龙等兽脚类动物的鼻孔都很大。” 仔细观察，研究人员发现了骨骼证据，证明该肛肠空气窦富含血管。威特默（Witmer）先前曾证明，每当动物打开和关闭嘴巴时，空气就像波纹管泵一样循环通过肛肠空气窦。威特默总结道：“轰！主动通气，血管高度活跃的鼻窦意味着我们还有另一个潜在的降温区域。兽脚亚目恐龙解决了相同的问题……但是方式不同。”

研究人员现在正在将该项目扩展到其他恐龙群体，例如鸭嘴鸭嘴龙和有角的角足动物，例如三角龙，以探讨其他恐龙的体温调节策略如何变化，以及这些策略如何影响其行为，甚至是他们的首选栖息地。