早在1997年,微軟當時的首席技術官納森·梅爾沃德的計算機模擬表明,蜥腳下目恐龍的巨大尾巴可以像牛鞭一樣裂開,打破音障,產生音爆,從而成為頭條新聞。古生物學家認為這是一種有趣的可能性,儘管有些人對此表示懷疑。現在,一個新的科學家團隊已經解決了這個問題,並建立了自己的阿帕龍尾巴模擬模型。新模擬中可能的最大速度比標準空氣中的音速慢10倍。
20世紀90年代還在微軟的時候,長期熱愛恐龍的梅爾沃德偶然發現了動物學家羅伯特·麥克尼爾·亞歷山大的一本書,書中推測某些蜥腳類恐龍的尾巴是否像牛鞭一樣被用來發出巨大的噪音,作為防禦策略、交配召喚或其他目的。這種結構有點像牛鞭,因為尾巴上的每一個連續椎骨都比它的前身小大約6%。物理學界已經知道,鞭子的破裂是由於細尖突破聲屏障的速度所產生的衝擊波或音爆。
梅爾沃德想把這個推測性的建議付諸實踐,並與古生物學家柯里通過電子郵件聯繫。兩人分析了化石,開發了計算機模型,並進行了幾次計算機模擬,以測試蜥腳類恐龍尾巴的生物力學。他們還將這些模擬與鞭子的力學進行了比較。
他們得出的結論是,尾巴的左右擺動可以發出一股能量波,沿着附肢的長度加速,從而獲得動量,從而使尾巴末端達到每小時750英里以上的速度。聲速根據介質和環境條件而變化,但在0°C的空氣中,聲速通常為740 mph。梅爾沃德和柯里在他們發表的論文中指出,只有尾部的最後兩到三英寸才能達到超音速。他們還認為,尾巴最遠的部分可能是通過一塊皮膚、肌腱或角蛋白延伸到最後一節椎骨,這類似於牛或袋鼠皮製成的鞭子的尖端,它們足夠結實,可以承受超音速。
梅爾沃德在2002年的一次會議上介紹了他的最新研究成果,報告稱最大潛在速度為1300英里/小時,這將產生大約200分貝的音爆。其他證據包括:一些蜥腳類化石標本在堅硬的底部和尾巴的柔性部分之間的關鍵過渡區融合了椎骨,就像牛鞭最終在粗柄和柔性皮革部分之間的連接處失效。
古生物學家肯尼斯·卡本特是音爆假說最直言不諱的懷疑者之一。1995年,他對《紐約時報》表示:「坦率地說,計算機模擬是垃圾進垃圾出的又一個例子。」。這花了將近20年的時間,但梅爾沃德在2015年古脊椎動物學會會議上展示了這樣一個模型。
該模型由鋁、不鏽鋼、氯丁橡膠和特氟龍製成,長12英尺(3.6米),大約是蜥腳類恐龍尾巴的四分之一。尾巴上的82塊骨頭都包含了正確的關節角度,梅爾沃德在每個椎骨上放置了重物,以模擬肉的重量。最後還有一個「popper」:一點經過處理的皮革,模擬牛鞭的尖端。該模型被連接到一個相機三腳架上,代表「恐龍屁股」。梅爾沃德等人隨後進行了一系列測試,拉動三腳架手柄,使模型尾部擺動,產生像牛鞭一樣的尖銳「裂縫」。他們在高速視頻上拍攝了所有測試,以確保準確測量。
模型尾翼的速度達到了每秒360米,約805英里/小時。卡彭特對此印象深刻,但仍心存疑慮,他指出,比例模型缺少尾部從一個椎骨到下一個椎骨的連接結構,這會限制左右運動,皮膚和肌肉層也會受到限制。至於罌粟,卡彭特告訴《現場科學》,在超音速下折斷它的尾巴可能會導致頂端的皮膚破裂或出血,最終導致不靈活的疤痕組織。他說:「我很難想像進化會讓蜥腳類恐龍的尾巴走上一條只能使用幾次的結構,然後就毫無價值的道路。」。
這讓我們看到了這篇最新的文章。葡萄牙NOVA科學與技術學院的西蒙娜·孔蒂與幾位同事一起,開始採用更多的多方面方法來改進早期的計算機模擬。他們將最先進的多體模型與軟組織抗應力模擬相結合,以測試阿帕龍尾巴的生物力學性能。
它們的模型尾巴超過30英尺(12米)長,重3187磅(1446公斤)。它有82個圓柱體,代表連接在固定的髖骨底座上的椎骨,這些圓柱體以弧形運動,使尾巴以鞭狀運動。它們的模型尾巴的最大速度僅為每秒33米,或低於每小時74英里,太慢了,無法產生音爆,這表明蜥腳類恐龍的尾巴比以前想像的要堅硬得多。
此外,當他們將模型尾部置於超音速時,尾部不可避免地斷裂,無法承受應力。孔蒂等人還嘗試在他們的模擬中添加模擬牛鞭尖端的結構:一個由三段皮膚和角蛋白組成,一個由編織的角蛋白細絲組成,另一個由軟組織組成。這些都不能承受超音速的壓力。
作者總結道:「計算機模擬和軟組織應力承受能力的估計所獲得的證據不支持蜥腳類超音速尾巴的假設。」。由於與骶骨的關節和空氣阻力的作用,尾部底部的限制降低了可達到的最大速度。軟組織推進器無法承受音速運動所施加的高應力,因為增加的質量會導致尾部失效,或者增加的空氣阻力會進一步降低尾部速度。