刃齿虎的咬合能力研究揭示剑齿食肉动物咬合背后的科学原理

刃齿虎的咬合能力研究揭示剑齿食肉动物咬合背后的科学原理

剑齿动物的热图上的冷色表示较低的应力和较高的力，特别是在较高角度咬合时。资料来源：Massimo Molinero

（蜘蛛网eeook.com）据cnBeta：比利时列日大学EDDyLab的博士生Narimane Chatar带领一个研究小组研究了Smilodon（刃齿虎）的咬合能力，这是一种已灭绝的食肉动物，与现代猫科动物有关。通过利用先进的3D扫描和模拟技术，该团队发现尽管Smilodon的牙齿尺寸很大，但它们如何能够有效地咬合。

在它们的进化过程中，古代食肉哺乳动物形成了多种多样的头骨和牙齿形状。然而，很少有像标志性的剑齿猫科动物刃齿虎那样引人注目的。其他的哺乳动物群体，如已灭绝的猎猫科也进化出类似的形态，但犬齿较短，类似于现代的狮子、老虎、狞猫、家猫等。

这种类似的形态出现在不同的生物群体中的现象被称为趋同进化；猫科动物和猎猫科是趋同的惊人例子。由于没有具有这种剑形牙齿的现代同类动物，刃齿虎和类似物种的狩猎方法一直不为人知，并引起了激烈的辩论。最初有人认为，所有剑齿动物的狩猎方式都是一样的，不管它们的犬齿有多长，这种假设现在已经引起了争议。那么问题来了......这种种类的"剑齿猫"是如何捕猎的？

已灭绝的剑齿猫刃齿虎的巨大犬齿意味着这种动物必须把下巴张得非常大，据一些作者说是110°，才能有效地使用它们，"ULiège的EDDy实验室主任Valentin Fischer教授解释说。然而，刃齿虎及其亲属以如此大的角度咬人的机械可行性和效率是未知的，这给我们对剑齿捕食者的这个非常基本的问题的理解留下了空白"。

利用高精度的三维扫描仪和源自工程学的分析方法，一个由比利时和北美科学家组成的国际团队刚刚揭示了这些动物可能如何使用它们令人印象深刻的武器。

烈日大学EDDyLab的博士生Narimane Chatar是这项研究的主要作者，她收集了大量的三维数据。她首先扫描了众多已灭绝和现存的猫科动物和猎猫科的头骨、下颌骨和肌肉，并建立了模型。

"每个物种都在几种情况下进行了分析：在三个不同的咬合角度下对每个牙齿进行模拟咬合。30°，在现存的猫科动物中常见，但也有更大的角度（60°和90°）。我们总共进行了1074次咬合模拟，以涵盖所有的可能性，"纳里曼-查塔尔解释说。

为了做到这一点，这位年轻的研究人员使用了有限元方法。加州大学伯克利分校古生物学教授兼馆长Jack Tseng教授和该研究的共同作者说："这是有限元方法的一个令人兴奋的应用，它允许古生物学家修改和计算模拟不同的咬合角度，并使头骨模型承受虚拟的压力，而不损坏珍贵的化石标本。我们的综合分析提供了迄今为止对剑齿动物咬合力学的多样性和细微差别的最详细的见解"。

该小组获得的结果之一是了解了咬合过程中下颌骨上的应力（压力）分布。这种压力在所分析的动物中显示出一种连续性，在上犬齿最短的物种中测得的数值最高，在最极端的剑齿动物中测得的压力数值最低。研究人员还注意到，压力随着咬合角度的增加而减少，但仅在剑齿动物中。然而，这些动物将力传递到咬合点的方式以及咬合导致的下颌骨变形在整个数据集中非常相似，表明无论犬齿长度如何，都具有可比性。

"这些结果既显示了进化的可能性，也显示了进化的局限性；在各自的生态系统中面临类似问题的动物往往通过趋同进化而最终看起来很相似。然而，研究结果也表明，可以有几种方式成为一个有效的杀手，无论你是否是剑齿虎，"瓦伦丁·费舍尔总结道。

这种现象被称为'多对一'系统，意味着不同的形态可以导致类似的功能，例如熊和猫都是高效的捕鱼者这一事实。这种形态的多重性表明，不存在单一的最佳形式的剑齿捕食者。