蜥脚类恐龙双足站立的生物力学奥秘：有限元分析揭示体型与形态对姿势适应性的影响

这篇研究通过数字生物力学建模和有限元分析（FEA）首次系统评估了七种蜥脚类恐龙股骨在双足/三足站立时的应力分布。结果表明，体型较小的盐丘龙类（如Neuquensaurus）凭借粗壮的股骨和优势肌肉附着区更易维持双足姿态，而Dreadnoughtus等巨型物种因高应力水平难以长期保持该姿势。研究为理解蜥脚类功能演化提供了新视角，揭示了体型与形态对其摄食、防御等行为的关键影响。

　　

材料与方法

研究选取了代表不同演化支系的七种蜥脚类恐龙股骨样本，包括梁龙科的Diplodocus、阿马加龙科的Amargasaurus、以及泰坦巨龙类的Dreadnoughtus和Neuquensaurus等。通过三维扫描和数字修复技术构建模型，采用有限元分析模拟两种功能场景：外源性场景（模拟体重负荷）和内源性场景（计算肌肉驱动应力）。

关键发现

1. 外源性应力测试显示：

   • 盐丘龙类Neuquensaurus平均冯·米塞斯应力最低（1.09 MPa），其股骨近端和远端三分之一处应力集中

   • 巨型物种Dreadnoughtus应力值达15.67 MPa，是Neuquensaurus的14倍

   • 梁龙Diplodocus（1.9 MPa）和腕龙Giraffatitan（2.51 MPa）呈现中等应力水平

2. 内源性肌肉负荷分析揭示：

   • 股胫肌群（femorotibialis）产生的应力占主导，尤其在具有颅侧肌间线（LIC）的物种中

   • Australotitan和Neuquensaurus凭借LIC扩大的肌肉附着面实现应力有效分散

   • Uberabatitan因LIC结合纤细股骨导致较高应力（1.11 MPa）

演化意义

研究首次量化证实：

• 盐丘龙类独特的尾椎气腔结构（pneumaticity）可能协同软组织增强应力缓冲

• 体型＜10吨的物种通过股骨形态优化（如增厚皮质骨）获得姿势适应性优势

• 巨型蜥脚类（＞30吨）受限于体重-强度比例，双足姿态可能仅限短暂行为

方法论创新

突破传统重心理论（COM），建立首个多物种FEA比较框架。虽未建模软骨组织（约占骨长10%）可能高估实际应力，但相对数据仍可靠揭示演化趋势。

未解之谜

前肢生物力学角色、微解剖结构差异（如髓腔比例）对结果的影响，以及气腔组织的精确力学性能，将是未来研究重点。