تحلیل زره و سلاح‌های فسیل‌های دایناسور به‌طرز استثنایی حفظ‌ شده

تحلیل زره و سلاح‌های فسیل‌های دایناسور به‌طرز استثنایی حفظ‌ شده

 (Analyses of the Armor and Weaponry of Extraordinarily Well-Preserved Dinosaur Fossils)

خلاصه‌

فسیل‌های به‌خوبی حفظ‌شده دایناسورهای زره‌پوش، پرده از رازهای ساختاری و عملکردی زره و سلاح‌های این موجودات غول‌پیکر برداشته‌اند. یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که بسیاری از زره‌های دایناسورها بیش از آنچه که تاکنون تصور می‌شد، متشکل از لایه‌های ضخیم کراتین بوده‌اند و نه صرفاً استخوان سخت. این کشف، درک ما از عملکرد دفاعی، مبارزات درون‌گونه‌ای و حتی زیبایی‌شناسی این «تانک‌های زنده» را دگرگون کرده است. مطالعه جدید روی نمونه‌هایی مانند Zuul و Borealopelta، نشان می‌دهد که زره دایناسورها نه تنها مقاوم و خودترمیم‌کننده بوده بلکه در نبردهای درون‌گونه‌ای به‌طور ویژه تکامل یافته بود، در حالی که توانایی دفاع در برابر شکارچیان نیز مزیت ثانویه‌ای بود.

در میان «شاهزادگان دایناسورها»، ساورپودها ممکن است بزرگ‌ترین و تیرانوسورها کشنده‌ترین بوده باشند. اما سراتوپسی‌ها، آنکیلوسورها و استگوسورها، فلزی‌ترین دایناسورها بودند. با شاخ‌ها و تیغه‌ها، صفحات بدنی و میله‌های دم، این دایناسورهای زره‌پوش و شاخ‌دار از دیرباز تخیل عمومی را به خود جلب کرده‌اند. در اوایل قرن بیستم، چارلز آر. نایت، هنرمند دیرینه‌شناس آمریکایی، یکی از این موجودات گیاه‌خوار، تریسراتوپس، را به‌عنوان رقیبی شایسته برای تیرانوسوروس رکس گوشت‌خوار تصویر کرد. استگوسوروس نیز در سری فیلم‌های پارک ژوراسیک که از سال ۱۹۹۳ آغاز شد، حضور منظم و قدرتمندی داشت. با این حال، علی‌رغم شگفتی مداوم ما از این «تانک‌های زنده» که دایناسورهای زره‌پوش نامیده شده‌اند، بسیاری از جزئیات آناتومی آن‌ها—شامل ترکیب و حتی عملکرد تجهیزات چشمگیرشان—نامعلوم مانده بود.

مشکل از کمیابی فسیل‌های این حیوانات ناشی می‌شد که حتی وقتی یافت می‌شدند، اغلب تنها از قطعات پراکنده تشکیل شده بودند. این نمونه‌های بازیابی‌شده نیز تنها بخش‌های استخوانی سخت را حفظ کرده بودند و هیچ بافت نرم مرتبطی باقی نمانده بود. در تلاش برای بازسازی دایناسورهای زره‌پوش بر اساس این شواهد اندک، دیرینه‌شناسان رویکردی محافظه‌کارانه در پیش گرفتند و فرض کردند که بقایای استخوانی زره، بخش عمده زره در زمان زندگی آن‌ها را تشکیل می‌داده است. این بازسازی‌ها برخی موجودات شگفت‌انگیز را نشان دادند—سراتوپسی‌ها با حاشیه‌های سه‌فوتی، استگوسورها با تیغه‌های دم ۳۰ اینچی، نودوسورها با تیغه‌های شانه‌ای تقریباً یک و نیم فوت طول.

اما در سال‌های اخیر، پژوهشگران فسیل‌های جدیدی کشف کرده‌اند که جنبه‌های آناتومی دایناسورهای زره‌پوش را که هرگز دیده نشده بود، حفظ کرده‌اند. این نمونه‌های شگفت‌انگیز ترکیب واقعی زره و سلاح دایناسورها را فاش می‌کنند. با در دست داشتن این اطلاعات جدید، همکاران من و من تحلیل‌های مکانیکی تازه‌ای از شاخ‌ها، تیغه‌ها و صفحات دایناسورهای سنگین‌زره انجام دادیم. نگاه تازه ما به این تجهیزات نشان می‌دهد که آن‌ها حتی از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، شگفت‌انگیزتر بودند. یافته‌ها می‌توانند به بحث طولانی‌مدت در مورد عملکرد اصلی این ساختارهای خیره‌کننده پایان دهند.

یافته‌های ما عمدتاً بر دو فسیل استثنایی مبتنی است که برای نخستین بار در سال ۲۰۱۷ معرفی شدند. یکی از آن‌ها دایناسوری زره‌پوش با میله دم عظیم بود که ویکتوریا آربور و دیوید ایوانز آن را Zuul نامیدند، به دلیل شباهت به هیولای فیلم Ghostbusters (۱۹۸۴). فسیل دوم متعلق به نودوسورید، نوعی دایناسور زره‌پوش معروف به تیغه‌های شانه‌ای ترسناک، بود. کالِب براون و همکارانش این حیوان را Borealopelta نامیدند، به معنای «سپر شمال». هر دو نمونه Zuul و Borealopelta گونه‌هایی تازه برای علم بودند، اما آنچه این فسیل‌ها را واقعاً هیجان‌انگیز می‌کند، وضعیت عالی حفظ‌شده آن‌هاست. این فسیل‌ها نه تنها بخش‌های استخوانی زره را نشان می‌دهند، بلکه بافت‌های نرم مرتبط را نیز حفظ کرده‌اند.

با این فسیل‌ها، پژوهشگران برای نخستین بار توانستند ترکیب مواد پوشش بدنی پیچیده دایناسورهای زره‌پوش را مشاهده کنند. پیش از کشف فسیل‌های Zuul و Borealopelta، برخی پژوهشگران فرض کرده بودند که قطعات استخوانی زره (به نام استئودرم‌ها) در آنکیلوسورها و استگوسورها صرفاً هسته‌ای استخوانی هستند که پوششی بیرونی از کراتین (همان ماده‌ای که مو، ناخن و شاخ‌ها از آن ساخته شده‌اند) داشته‌اند. نمونه‌های جدید این فرض را تأیید کردند و نشان دادند که زره این دایناسورها لایه‌ای بیرونی از کراتین داشته که توسط استئودرم‌های استخوانی پشتیبانی می‌شده است. علاوه بر این، این پوشش کراتینی بسیار ضخیم‌تر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد بود. فسیل Borealopelta، که بیشترین زره را حفظ کرده است، نشان می‌دهد که غلاف‌های کراتینی ابعاد خطی ضخیم‌ترین بخش‌های زره را ۳۰ تا ۴۰ درصد افزایش داده‌اند. با این حال، چون کراتین این نمونه تا حدی فرسوده است، می‌دانیم که در زمان زندگی حیوان حتی ضخیم‌تر بوده است. بررسی این فسیل توسط خودم نشان می‌دهد که افزایش ممکن است به‌طور قابل توجهی بیش از ۴۰ درصد بوده باشد.

این بینش ساختار زره، درک ما از این دایناسورها را دگرگون کرد. اول، نشان داد که عملکرد زره بسیار متفاوت و شگفت‌انگیزتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد بوده است. دوم، چون بیشتر زره‌های دایناسورها نشانه‌های ارتباط با غلاف کراتینی را نشان می‌دهند، نسبت کراتین به استخوان در زره Borealopelta و Zuul احتمالاً در سایر دایناسورهای دارای زره استخوانی نیز برقرار بوده است. به عبارت دیگر، تیغه‌ها، صفحات و شاخ‌های همه دایناسورهای زره‌دار—از سراتوپسی‌های شاخ‌دار تا استگوسورهای دارای صفحات—احتمالاً در زمان زندگی بیش از ۴۰ درصد بزرگ‌تر از آن چیزی بودند که در اسکلت‌هایشان مشاهده می‌کنیم.

برای درک پیامدهای فوق‌العاده داشتن زره عمدتاً از کراتین، باید به خواص ماده کراتین نگاه کنیم. مهم‌ترین این خواص، مقاومت (strength) و سختی (toughness) ماده است. مقاومت، توانایی ماده در مقاومت در برابر شکستن و تغییر شکل است. اگر میله‌ای از یک ماده داشته باشید و شکستن آن سخت باشد، ماده مقاوم است. سختی، توانایی ماده در جذب انرژی است. اگر بتوانید به ماده ضربه شدیدی وارد کنید و ماده آسیب نبیند، سخت است؛ اگر شکسته شود، شکننده است. معمولاً بین این دو خاصیت تناقض وجود دارد؛ مواد بسیار مقاوم اغلب شکننده نیز هستند. به‌عنوان مثال، شیشه بسیار مقاوم است، اما حتی ضربه‌ای سبک می‌تواند آن را خرد کند. شکنندگی شیشه ناشی از سختی پایین است، نه مقاومت کم.

کراتین ماده‌ای زیستی ویژه است. برخلاف استخوان که بسیار مقاوم اما شکننده است، کراتین به‌طور متوسط مقاوم اما بسیار سخت است. این ویژگی آن را برای ساخت سلاح‌ها و زره‌های فوق‌العاده مقاوم ایده‌آل می‌کند. به‌عنوان مثال، خارهای کراتینی جوندگان آفریقایی مانند جوجه‌تیغی می‌توانند شیرهایی را که جسورانه به آن‌ها حمله می‌کنند، به‌طور مرگبار زخمی کنند. استخوان ممکن است در برابر گاز شیر بشکند، اما خارهای کراتینی انرژی گاز را جذب کرده و شکل خود را حفظ می‌کنند تا به‌عنوان نیزه‌های کشنده عمل کنند.

نمونه‌های زنده‌تر مرتبط با دایناسورهای زره‌پوش، شاخ‌های آهو، گوسفند و بز هستند. شاخ‌های گوسفند بزرگ (bighorn) با ضربه‌های محکم به یکدیگر اصابت می‌کنند؛ این شاخ‌ها تنها از استخوان ساخته نشده‌اند، بلکه کراتین ضخیم اطراف هسته استخوانی دارند. خواص فیزیکی کلی شاخ‌ها از ترکیب لایه سخت بیرونی کراتین و هسته استخوانی مقاوم و شکننده حاصل می‌شود. این ترکیب بهترین ویژگی‌های هر دو را در اختیار می‌گذارد: غلاف کراتینی سخت انرژی زیادی را جذب می‌کند و هسته استخوانی مقاومت در برابر خم شدن و شکستن دارد. سطح تماس شاخ‌ها نیز غیرحساس است؛ آسیب به کراتین موجب درد یا خونریزی نمی‌شود، در حالی که استخوان زنده با عروق و اعصاب فراوان است و آسیب به آن می‌تواند منجر به خونریزی یا درد شدید شود.

داده‌های Zuul و Borealopelta و مقایسه با حیوانات مدرن نشان می‌دهد که زره دایناسورها زره‌ای سخت و شکننده از استخوان نبوده، بلکه کامپوزیتی از استخوان و کراتین بسیار مقاوم بوده است. کراتین ضخیم بار اصلی را تحمل می‌کرد و سطح زره را می‌پوشاند، در حالی که هسته استخوانی ضمن حس ضربه‌ها و تولید کراتین، قدرت ساختاری لازم را فراهم می‌کرد. نتیجه نهایی، زرهی مقاوم و خودترمیم‌کننده بود که انرژی عظیمی را جذب می‌کرد.

براون و من ظرفیت جذب انرژی این زره را مطالعه می‌کنیم. در پاییز ۲۰۲۴، نخستین برآوردها را در نشست سالانه جامعه دیرینه‌شناسی مهره‌داران ارائه کردم. این برآوردهای اولیه نشان می‌دهند که ضخیم‌ترین بخش‌های زره Borealopelta ممکن است انرژی معادل برخورد یک خودرو با سرعت بالا را جذب کنند. حداقل، ساختار استخوان-کراتین زره این حیوان سختی آن را ۲۰ برابر زره ساخته‌شده تنها از استخوان افزایش داده است. چنین زره مقاومی در دنیایی با شکارچیانی دارای نیروی گاز بالا، مزیت قابل توجهی محسوب می‌شود.

با این حال، زره Borealopelta بیش از نیاز برای دفاع در برابر گاز یک دایناسور شکارچی بزرگ طراحی شده بود. شکارچی نیز به‌سختی می‌توانست بدن کوتاه و پهن Borealopelta را گاز بگیرد. برای بررسی اینکه آیا موقعیتی وجود دارد که شکارچی بتواند ضربه‌ای کامل به زره وارد کند، در ۲۰۱۹ با فیزیک‌دان سیموس بلکلی و تیم مهندسی او در جنوب کالیفرنیا همکاری کردم. ما تست مکانیکی زره Borealopelta را برای برنامه‌ای از کانال CBC طراحی و ساختیم. در این تست، نسخه‌ای مصنوعی از زره را در برابر مدل بزرگ‌ترین شکارچی ممکن، دایناسور ترآپود Acrocanthosaurus، قرار دادیم.

تست نشان داد حتی در سناریوی بدترین حالت، با استفاده از تنها بخش کوچکی از زره، ابزار عظیم و ترسناک گاز مجبور شد دقیقاً در همان نقطه دوبار ضربه بزند تا آسیب واقعی ایجاد شود. ما بخش‌های عظیم و سنگین زره را شبیه‌سازی نکردیم، بلکه زره کمتر ترسناک نیمه عقبی بدن را مدل‌سازی کردیم. بنابراین می‌توان با اطمینان گفت که هر تلاش شکارچی برای حمله به نیمه جلویی Borealopelta بی‌فایده بوده و احتمالاً راهی عالی برای مرگ بود.

در حالی که نیمه عقبی حیوان با سری کوچکی از استئودرم‌های کراتینی پوشیده شده بود که به‌صورت موزاییک در هم قفل می‌شدند، نیمه جلویی Borealopelta (و سایر نودوسورها) کاملاً شگفت‌انگیز بود. صفحات تیغه‌ای گردن را پوشانده و تیغه‌های عظیم از شانه‌ها بیرون زده بودند، شبیه به یک ماشین جنگی از بازی World of Warcraft. در تحلیل برای تست CBC، من به این ناحیه مستحکم از گردن تا شانه‌ها اصطلاحاً «جعبه کشتار» (kill box) دادم. هر چیزی که در آن ناحیه با Borealopelta عصبانی روبرو می‌شد، زنده نمی‌ماند—مگر اینکه آن موجود Borealopelta دیگری بود.

دیرینه‌شناسان مدت‌ها بر سر عملکرد زره دایناسورها بحث کرده‌اند: آیا زره برای محافظت در برابر شکارچی، سلاح برای مبارزه با هم‌نوعان، نمایش جنسی، یا ترکیبی از این نقش‌ها بوده است؟ کشفیات جدید ممکن است پاسخ این پرسش را روشن کنند. اگر زره Borealopelta از آنچه برای دفاع در برابر شکارچی لازم بود مقاوم‌تر باشد، احتمالاً عملکرد اولیه آن برای دفاع نبوده و استفاده اصلی آن مبارزه درون‌گونه‌ای بوده است.

در دنیای مدرن، چنین سازه‌های استخوانی-کراتینی می‌توانند برای دفاع در برابر شکارچی استفاده شوند، اما عملکرد اصلی آن‌ها تقریباً همیشه مرتبط با نمایش و مبارزه با هم‌نوعان است. در زیست‌شناسی، این درگیری‌ها «مبارزه درون‌گونه‌ای» نامیده می‌شوند و می‌توانند بسیار خشن باشند. به‌عنوان مثال، گوسفندهای بزرگ با نیرویی حدود ۶۰ برابر نیروی لازم برای خرد کردن جمجمه انسان به یکدیگر حمله می‌کنند و این کار را بارها و گاهی ساعت‌ها انجام می‌دهند.

مطالعه Zuul در ۲۰۲۲ نشان داد که این حیوان آسیب‌های بهبودیافته در پهلوهای خود داشته که با ضربه میله دم از سوی دیگر Zuul هم‌خوانی دارد. همچنین فسیل‌های نوزاد نودوسورها نشان می‌دهند که جعبه کشتار آن‌ها تا بزرگسالی کامل نشده بود، حتی با وجود اینکه خطر شکار در زمان کوچکی آن‌ها بیشتر بود. این یافته‌ها همراه با ساختار «بیش از حد مقاوم» Borealopelta نشان می‌دهد که حداقل شدیدترین سلاح‌های دایناسورهای زره‌پوش عمدتاً برای مبارزه با هم‌نوعان استفاده می‌شده است.

با توجه به نمونه‌های عالی Zuul و Borealopelta، اکنون می‌دانیم که چه نشانه‌هایی را برای شناسایی زره کراتینی ضخیم در فسیل‌ها جستجو کنیم و این علائم در بسیاری از فسیل‌ها قابل مشاهده است؛ از لبه‌های استخوانی پر از رگ در صفحات استگوسوروس تا شیارهای روی شاخ تریسراتوپس، شواهد غلاف‌های کراتینی محکم همواره وجود داشته‌اند.

کراتین نه تنها عملکرد ساختار زره را بهبود می‌بخشید—با افزایش سختی و کاهش شکنندگی—بلکه ظاهر این حیوانات را نیز دگرگون می‌کرد. این بینش به آخرین به‌روزرسانی‌های تصویری دایناسورها انجامیده است که از بازاندیشی آناتومی آن‌ها از اواخر دهه ۱۹۷۰ آغاز شده بود.

در دهه گذشته، ارزیابی‌های کمی از وضعیت بدن، حرکت و مکانیک اسکلتی در دیرینه‌شناسی تثبیت شده است. نتیجه این تحلیل‌ها، جایگزینی سراتوپسی‌های خمیده و استگوسورهای دم خمیده با ساختارهای راست، عضلانی و سرهای بالابرده بوده است. آنکیلوسورها اکنون به‌عنوان میله‌های محکم و پهن دیده می‌شوند، نه حیواناتی شبیه خربزه. وضعیت و آناتومی اصلاح‌شده بازسازی‌هایی ارائه می‌دهد که همزمان خیره‌کننده و کشنده‌تر از نمونه‌های پیشین هستند.

این حیوانات نه تنها مجهز به سلاح‌های فراوان بودند، بلکه قادر به استفاده مؤثر از آن‌ها نیز بودند. دایناسورهای زره‌پوش، برخلاف تصور گذشته، از خطرناک‌ترین موجودات زیست‌بوم خود بودند: تماشایی و در عین حال ترسناک در مبارزه. به ندرت حیوانی جرات روبه‌رو شدن با چنین موجودات عظیم‌الجثه‌ای را داشت، جز هم‌نوعان به‌طور مشابه مجهز. آن‌ها گلادیاتورهای زمان خود بودند، آماده نبرد برای جایگاه، جفت و قلمرو در هر لحظه.

منابع و توضیحات

• متن اصلی:  Michael B. Habib, Scientific American, 2017–2022
• تصاویر:  Owen William Weber