刃齒虎的咬合能力研究揭示劍齒食肉動物咬合背后的科學原理 _刃齒虎

刃齒虎的咬合能力研究揭示劍齒食肉動物咬合背后的科學原理

劍齒動物的熱圖上的冷色表示較低的應力和較高的力，特別是在較高角度咬合時。資料來源：Massimo Molinero
據cnBeta：比利時列日大學EDDyLab的博士生Narimane Chatar帶領一個研究小組研究了Smilodon（刃齒虎）的咬合能力，這是一種已滅絕的食肉動物，與現代貓科動物有關。通過利用先進的3D掃描和模擬技術，該團隊發現盡管Smilodon的牙齒尺寸很大，但它們如何能夠有效地咬合。
在它們的進化過程中，古代食肉哺乳動物形成了多種多樣的頭骨和牙齒形狀。然而，很少有像標志性的劍齒貓科動物刃齒虎那樣引人注目的。其他的哺乳動物群體，如已滅絕的獵貓科也進化出類似的形態，但犬齒較短，類似于現代的獅子、老虎、獰貓、家貓等。
這種類似的形態出現在不同的生物群體中的現象被稱為趨同進化；貓科動物和獵貓科是趨同的驚人例子。由于沒有具有這種劍形牙齒的現代同類動物，刃齒虎和類似物種的狩獵方法一直不為人知，并引起了激烈的辯論。最初有人認為，所有劍齒動物的狩獵方式都是一樣的，不管它們的犬齒有多長，這種假設現在已經引起了爭議。那么問題來了......這種種類的"劍齒貓"是如何捕獵的？
已滅絕的劍齒貓刃齒虎的巨大犬齒意味著這種動物必須把下巴張得非常大，據一些作者說是110°，才能有效地使用它們，"ULiège的EDDy實驗室主任Valentin Fischer教授解釋說。然而，刃齒虎及其親屬以如此大的角度咬人的機械可行性和效率是未知的，這給我們對劍齒捕食者的這個非常基本的問題的理解留下了空白" 。
利用高精度的三維掃描儀和源自工程學的分析方法，一個由比利時和北美科學家組成的國際團隊剛剛揭示了這些動物可能如何使用它們令人印象深刻的武器。
烈日大學EDDyLab的博士生Narimane Chatar是這項研究的主要作者，她收集了大量的三維數據。她首先掃描了眾多已滅絕和現存的貓科動物和獵貓科的頭骨、下頜骨和肌肉，并建立了模型。
"每個物種都在幾種情況下進行了分析：在三個不同的咬合角度下對每個牙齒進行模擬咬合。30°，在現存的貓科動物中常見，但也有更大的角度（60°和90°）。我們總共進行了1074次咬合模擬，以涵蓋所有的可能性，"納里曼-查塔爾解釋說。
為了做到這一點，這位年輕的研究人員使用了有限元方法。加州大學伯克利分校古生物學教授兼館長Jack Tseng教授和該研究的共同作者說："這是有限元方法的一個令人興奮的應用，它允許古生物學家修改和計算模擬不同的咬合角度，并使頭骨模型承受虛擬的壓力，而不損壞珍貴的化石標本。我們的綜合分析提供了迄今為止對劍齒動物咬合力學的多樣性和細微差別的最詳細的見解" 。
該小組獲得的結果之一是了解了咬合過程中下頜骨上的應力（壓力）分布。這種壓力在所分析的動物中顯示出一種連續性，在上犬齒最短的物種中測得的數值最高，在最極端的劍齒動物中測得的壓力數值最低。研究人員還注意到，壓力隨著咬合角度的增加而減少，但僅在劍齒動物中。然而，這些動物將力傳遞到咬合點的方式以及咬合導致的下頜骨變形在整個數據集中非常相似，表明無論犬齒長度如何，都具有可比性。
"這些結果既顯示了進化的可能性，也顯示了進化的局限性；在各自的生態系統中面臨類似問題的動物往往通過趨同進化而最終看起來很相似。然而，研究結果也表明，可以有幾種方式成為一個有效的殺手，無論你是否是劍齒虎， "瓦倫丁·費舍爾總結道。
這種現象被稱為'多對一'系統，意味著不同的形態可以導致類似的功能，例如熊和貓都是高效的捕魚者這一事實。這種形態的多重性表明，不存在單一的最佳形式的劍齒捕食者。