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司琴星或許是地球誕生的殘片之一

臺北天文館_96
・2011/11/15 ・1065字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

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據新觀測資料,21號小行星司琴星(21 Lutetia,或音譯為「魯特西亞」)說不定是地球、金星和水星形成過程中剩下的殘片之一。

天文學家Pierre Vernazza等人結合羅賽達太空船(Rosetta)、歐南天文台(ESO)新技術望遠鏡(New Technology Telescope,NTT)、NASA的紅外望遠鏡設施(Infrared Telescope Facility,IRTF)及史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)等的光譜觀測資料,發現司琴星的性質和在地球上發現的一種罕見隕石非常相像,一般認為這種隕石應是在太陽系內側區域形成的。故依此觀點,這些天文學家認為司琴星或許與地球等內側行星是由同源物質形成的天體,之後才逐漸移動位置到火星與木星之間的主小行星帶(main asteroid belt)中。

這些天文學家將司琴星的光譜與在地球上發現的各類隕石光譜進行比對,結果發現只與所謂的頑火輝石質球粒狀隕石(enstatite chondrites)完全相符。頑火輝石質球粒狀隕石又稱為E型球粒隕石,僅佔所有在地球發現的隕石的2%而已。經氧、氮、釕(ruthenium,音ㄌㄧㄠˇ)、鉻、鈦等同位素測量結果顯示:這類隕石的同位素比例與地月系統相同,因此頑火輝石質球粒狀隕石的物質不僅形成於太陽系早期,且應是在鄰近年輕太陽之處形成,這類物質同時也是建構類地行星的基石之一,特別是地球、金星和水星這3顆岩質行星。

天文學家估計:約有2%在地球形成地附近的物質,最後會移到主小行星帶中。絕大部分的太陽系內側物質,會在幾百萬年之後消失,成為正在成長茁壯的行星的一部份。不過其中有些直徑100公里上的最大型的微行星,會被驅逐到離太陽比較遠、但比較安全的軌道上。

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司琴星的直徑就剛好約100公里左右,天文學家認為或許當它在太陽系內側的期間,不期然的與其中一顆類地行星相遇,使得軌道驟變;之後又在向外遷移的過程中遭遇年輕木星,最後約在40億年前,才被迫停留在現在的軌道上,所以對主小行星帶而言,它其實是個境外移居、之後才在此落地生根的外人。

先前其他研究顯示司琴星的顏色和表面性質,與其他主小行星帶天體迥異,是個神秘天體。與司琴星類似的天體,只佔了主小行星帶所有天體的1%以下,因此相當罕見。Vernazza等人的研究終於得以解釋為何司琴星如此與眾不同,因為它本來就不是主小行星的原住民。

Vernazza等人表示:司琴星或許是這類地球等岩質行星形成後的殘片中最大的一個,而且這類殘片數量相當稀少,因此必定是未來樣本返還太空任務的絕佳目標之一。這類天體的研究結果,對地球和其他岩質行星的起源和演化,必能提供關鍵線索。

 

近期相關新聞可參考天文新知11-10-31 小行星司琴星可能一度擁有熔融核心

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資料來源:Lutetia:a Rare Survivor from the Birth of the Earth[2011.11.11]

轉載自台北天文館之網路天文館

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臺北天文館_96
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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

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如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

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隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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Just Look Up!小行星監測系統「哨兵」全面升級
EASY天文地科小站_96
・2022/01/03 ・2549字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/陳子翔|師大地球科學系、EASY 天文地科團隊創辦者

看到下圖密布於太陽系的小行星軌道,你是否會對小行星撞地球這樣的災難感到擔心呢?

對地球有潛在撞擊威脅的 2200 個小行星軌道。圖/NASA/JPL-Caltech

事實上面對小行星的撞擊風險,科學家也是嚴陣以待。畢竟即便是一顆直徑只有數十公尺的小行星撞上地球,其威力也足以摧毀一座城市。更何況還有許多直徑數百公尺,甚至數公里的近地小行星(near-Earth asteroids)存在。因此,對於這些小行星的觀測、研究與監控就顯得格外重要。

揪出藏身夜空中的小行星

對近地小行星監測的第一步,就是要先找出「它們在哪裡」。如同在戰場上比起收到敵方要發動攻勢的情報,更可怕的就是連敵人是誰、敵人在哪裡都還不清楚就被暗中襲擊了。

然而棘手的是,由於直徑小,反照率低的特性,小行星的亮度往往非常低,需要仰賴觀測性能強大的天文台才有辦法看見它們。但大型天文台的觀測視野卻通常很小,難以有效率的「掃描」廣大的夜空,而且這些天文台本來就有很多天文研究工作要進行,能撥給小行星觀測的時間也相當有限。

有鑑於這些因素,專門設立搜尋近地小天體的計畫與望遠鏡,就成了更合適的選項。像是林肯近地小行星研究小組(Lincoln Near-Earth Asteroid Research, LINEAR)、卡特林那巡天系統計畫(Catalina Sky Survey, CSS)以及泛星計畫(Pan-STARRS)等。它們扮演「小行星獵人」的角色定期掃視夜空,尋找移動中的可疑光點。目前透過這些計劃發現的近地小行星已經多達數萬個。

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https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Neo-chart.png
每年由近地小天體搜尋計畫找到的近地小行星數量,藍色為林肯近地小行星研究小組,綠色為卡特林那巡天系統計畫,紫色為泛星計畫。圖/Wikipedia

用自動化的監測系統,找出小行星中的「危險份子」

發現這些小行星的下一步,就是由觀測資料計算出它們的軌道,並找出哪些小行星對於我們的威脅比較大。而面對數量龐大的近地小行星資料,NASA 噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)早在 2002 年就開發出一套名為「哨兵(Sentry)」的監測系統,運用設計好的演算法,自動化的評估每個近地小行星撞擊地球的機率,並列出對地球威脅比較大的小行星名單。

以目前的速率來看,每年大約有 3000 個新的近地小行星被發現。而未來隨著更多更先進的天文台投入小行星搜尋的計畫,可以預期小行星的發現數量還會出現顯著的成長。因此就在不久前,NASA 的天文學家已發展出下一代更先進的小行星監測系統:哨兵 II(Sentry II),以因應未來更龐大的資料,同時也對已經使用了近 20 年的哨兵系進行補強。

監測系統升級上線,更完善的為地球把關

就如同各種應用程式都會進行版本更新,並在更新中修正上一個版本的缺點,這次哨兵 II 系統的升級,也從哨兵一代系統多年累積的經驗進行修正。

首先,第一代哨兵系統只有計算萬有引力對小行星軌道的影響,並沒有考量其他外力,例如來自太陽的輻射壓等等。這些力量雖然相對微小,但積少成多、聚沙成塔,長期下來也能影響小行星運行的軌道。另一方面,由於小行星本身會自轉,因此小行星的受光面和背光面會不停改變方向,如此一來熱輻射對小行星造成的力,也會隨著轉動而變化,這個效應被稱作「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。而哨兵 II 的演算法都有將這些因素納入考量,讓小行星的軌道估計算更為精準。

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亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

再來,當小行星的非常靠近地球時,受到地球引力的影響,軌道以及速度都會大幅改變。其原理與太空探測器借助行星的引力來改變自身的軌道和加減速的「重力彈弓」效應相同。

然而太空探測器上面有很多精密的儀器提供科學家精準的定位,小行星卻只能透過地面觀測來估算出它的軌道,科學家其軌道掌握的精確度當然就比較差。而當小行星接近地球時,軌道的計算誤差就會被大幅放大。一個小行星飛掠地球時幾百公尺的誤差,到了下一次來訪時可能就成了幾千公里的差別了。而這幾千公里,就有可能是「撞上地球」和「安全通過」的差距。好消息是,由於在軌道計算上考量的因素更全面,演算法也更加精密,讓哨兵 II 即使在面對這樣的狀況,也能計算出更為精準的結果。

最後,哨兵 II 系統在計算小行星的撞擊風險時,判斷的方式也相較上一代系統更縝密。如同任何觀測與測量,小行星的軌道也會存在誤差,而哨兵 II 會從小行星軌道的誤差範圍內隨機取樣進行計算,以檢查小行星有沒有撞上地球的可能性。相比於第一代哨兵系統預先將有撞擊風險的軌道推算出來後才評估撞擊機率的做法,這樣的更新能降低漏網之魚出現的可能性。

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隨著科技不斷在更新換代,人類對小行星的認識越來越深入,但我們也仍未擺脫小行星撞擊的威脅。圖/Pixabay

持續探索可能的威脅

小行星、彗星等天體的撞擊一直以來都是很多科幻作品的題材。從科學的角度來看,太陽系中也的確存在非常多小天體,可能對地球上的生命構成威脅。雖然對於近地小天體的災害預防,當今的科學與科技還遠達不到萬無一失的程度,但過去三十年,人類對近地小行星的認識已有了顯著的進展。從搜尋小行星的各個計畫,到針對小行星的太空探測任務,以及本篇文章介紹的兩代哨兵監測系統,都帶給我們許多重要資訊,立下人類面對小行星撞擊風險時不可或缺的基石。

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EASY天文地科小站_96
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物種多樣性下降,是恐龍滅絕的推手嗎?
藍羊_96
・2021/08/03 ・4265字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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距今約 6600 萬年前,一顆直徑至少 10 公里以上的天體,穿越遠古的大氣層砸向現今墨西哥灣所在地,掀起超過百米高的海嘯;受撞擊的地層粉碎,碎片和隕石的破片一起噴向大氣圈,而這第二波火流星的墜落引起了大範圍的森林大火、讓海洋迅速酸化。

在這個粉塵遮蔽陽光的寒冷世界中,沒有遭到地震和火災滅絕的生還者,在食物鏈支離破碎的狀況中,也紛紛倒下。

圖/ABelov2014, CC3.0

這個突如其來的災變,就是目前動物演化史上的五次大滅絕之一:最戲劇性且廣為人知的「白堊紀-古近紀滅絕事件」,俗稱「恐龍大滅絕」。這個事件摧毀了當時 75% 的生物,除了鳥類以外的恐龍、翼龍和各種水生爬行動物、菊石,以及其他難以計數的動植物,都逃不過這個劫數。

甫於今(2021)年 6 月底發表的新研究,調查整合 1600 筆的白堊紀 6 大主要類群的恐龍物種化紀錄後,認為在白堊紀的最後 1000 萬年間,可能有先發生氣候變遷、恐龍的多樣性普遍下降的狀況。而隕石,則是奠基在這壓力之上,造成恐龍滅絕的最後一根稻草。

如此驟變不可能完全在地球上銷聲匿跡,直徑達 180 公里的「奇虛樂隕石坑(Chicxulub crater)」,如今仍躺在猶加敦半島北端的海陸交界;白堊紀和古近紀地層交界處,那些帶有銥元素的深色地層,以及焚燒過的植物化石等,也都見證了這個全球性的災變。

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奇虛樂隕石坑邊界。圖/NASA/JPL-Caltech, CC0
白堊紀-古近紀界線的邊界,位於美國科羅拉多州的25號州際公路附近。紅箭頭處即為白堊紀-古近紀界線(因富含銥而著名)。圖/Anky-man, CC3.0

以「演化動力學」發覺恐龍化石隱藏的訊息

隕石撞擊已經是此次滅絕事件公認的主要原因,然而是否有其他要素參與?

近期刊載在《Nature Communication》的新研究,以白堊紀恐龍中的六個主要類群——鴨嘴龍類、角龍類、甲龍類、暴龍類、馳龍類、傷齒龍類為對象,分析這些類群的全球性化石紀錄,以了解其它可能的影響因素;研究最後共累計了 247 個物種、1636 份恐龍化石紀錄。

這份研究以這些化石紀錄整合的數據庫,進行各類群的「演化動力學」模擬分析,主要涉及新物種形成和既有物種滅絕速率。當然,因為對象是化石,這些所謂的「形成」和「滅絕」,其實是根據最初與最後化石紀錄所在的地層年代做判斷。

在分析的過程中,除了以演化支為依據,每個類群內物種的多樣性趨勢分析,也以植食性(鴨嘴龍類、角龍類、甲龍類)與肉食性(暴龍類、馳龍類、傷齒龍類)分組,再將所有組別整合,以得知不同的食性間物種多樣性的變化是否有區別,以及整體恐龍類群的變化趨勢。

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總體而言,研究分析顯示大約在白堊紀末滅絕事件前的 1000 萬年,也就是距今 7600 萬年前左右,恐龍的多樣性達到整個白堊紀的巔峰,但之後卻全球性地普遍下滑。

(圖左)分析6個恐龍類群的化石紀錄,從距今7600萬年前開始物種生成趨勢(藍色曲線)下降且滅絕趨勢(紅色曲線)上升。 (圖右)白堊紀的恐龍多樣性可能在中生代的最後1000萬年內下降。圖 / 參考資料1

環境變化與同類群競爭,內外交互的複雜作用

如果以食性來區分檢視,「植食性恐龍」的多樣性,在前述的距今 7600 萬年前,就已經開始降低;「肉食性恐龍」則稍晚,大約在距今 7200 萬年前開始下降。這有可能是因為,兩類恐龍在食物鏈處的位置不同,植食性恐龍多樣性下降造成的生態承載力降低,經過約 400 萬年的時間後,延遲反映在次級或更高級消費者的肉食性恐龍身上。

另外,同類群內的競爭,也會互相影響多樣性。例如在植食性類群中,鴨嘴龍的多樣性下降最慢,顯示鴨嘴龍的多樣化可能也間接排擠了角龍和甲龍類。而肉食恐龍,在類群內的競爭,又遠較植食性恐龍嚴重;例如每一種新的暴龍類出現,便會造成後續的新物種形成率下降 23.4%;但以草食性的角龍來說,一種新的角龍出現造成其他新的角龍物種形成率下降,僅有 13.1%。

18種原始角龍類的體型比較。圖/ Nobu Tamura, CC3.0

對照恐龍物種多樣性下降的時間點,「地質年代」在距今 7600 萬年前,是白堊紀倒數第二個地層期「坎帕期(Campanian)」,而從距今 7200 萬年前直到 6600 萬年前白堊紀結束,則是「馬斯垂克期(Maastrichtian)」。

過去的研究曾指出,坎帕期時北緯 35º 的北大西洋海水溫度為攝氏 35 度,然而到馬斯垂克期時,降低到攝氏 28 度。

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海水溫度的變化,會與陸地的溫度變化連動,也涉及海平面的升降。新發表的研究認為,這股「長期氣溫持續降低」的趨勢,很可能是恐龍多樣性在白堊紀最末的 1000 萬年間下降的主因;而地理環境的變化、植物類群從裸子和蕨類,逐漸演替到以被子植物為主,也可能有影響,但不那麼顯著。

海水溫度變化帶動的氣溫下降,可能是恐龍多樣性下降的主因。圖/envato elements

「恐龍滅絕假說」長期持續的辯論題

綜觀近代古生物研究史,其實曾被提出的恐龍滅絕原因的假說多不勝數。1980 年提出的「天體撞擊說」雖然現在廣為科學界接受,但也是在經過長期的後續研究、累積相關地質證據後,才真正說服眾人。

撇開如外星人滅絕這類異想天開的想法,其它如恐龍蛋被恐龍自己/哺乳類吃掉、恐龍的蛋殼異常而使得生育率下降、無法適應被子植物逐漸增加的生態系、演化過於極端化而被淘汰……等假設,雖然從現今角度看似荒誕不稽,不過在當時的研究知識背景下,或許也是無可厚非的推論。

恐龍滅絕的假說各式各樣,其中包含恐龍把自己的蛋吃掉。圖/envato elements

近代,各種恐龍滅絕的假說中,有人曾提出「恐龍在白堊紀末是否逐漸脆弱化」這個命題,即使後來大致上已被「天體撞擊說」取代,但這個命題,也改為「在隕石撞擊前,恐龍是否已經脆弱化而無法從災變中復原」,並持續在不同派別支持者間爭論。

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例如 2019 年的另外一篇同樣刊登於《Nature Communication》的文章,便持完全相反的觀點,認為在白堊紀的最末兩個地質階之間,以北美洲為例,棲地的多樣性和適居性並沒有下降;也就是說,整體環境並「沒有」變得比較不適於恐龍生存。

該篇論文也提出,坎帕階到馬斯垂克階間的恐龍化石紀錄差異,可能該歸咎於化石採集地點只偏重於少數地區,而這些地方剛好在坎帕期,有更利於保存化石的地理條件;而某些地區,則是甚至在馬斯垂克期時從陸地轉變為海洋環境,所以才更難找到恐龍化石。

坎帕階到馬斯垂克階間的恐龍化石紀錄差異,可能該歸咎於化石採集地點只偏重於少數地區。圖/envato elements

另外,關於「多樣性下降」,一篇在 2021 年較早發表,集中於討論暴龍對於身處生態系的肉食恐龍生態棲位影響的論文則認為,暴龍擁有在未成年時,中型肉食恐龍的輕盈快速體態、以及 14 歲後急遽成長達到的壯碩成年體態,使牠們能夠佔據於二種截然不同的生態棲位,也因此排擠其他中型肉食恐龍的出現。

馬斯垂克階的肉食性恐龍物種多樣性,缺乏中型肉食恐龍的現象可能是暴龍亞成體搶佔生態棲位造成。 圖 / 參考資料3

如果將未成年與成年的暴龍切分為兩個群體來分析,就可以彌補單就物種數來看的多樣性降低缺口。

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對於反方論點,新發表的論文也提出一些反駁,例如暴龍對於文中分析的另二個肉食性恐龍類群,並沒有明顯的排擠效應;以及相對於白堊紀中的其他時期,最末的 2 個年代可能擁有最高的化石保存率,可以彌補化石挖掘地點和沉積條件的偏差問題等。

科學爭論無休止,在無限多解中持續修正

或許關於鳥類以外的恐龍如何滅絕的辯論,仍會持續下去。然而除了恐龍以外,正如文章開頭所提的,翼龍、蛇頸龍、滄龍、菊石,還有許多其他類群的生物,也都在這次大滅絕中消逝了。

包含地球史最大飛行動物風神翼龍(Quetzalcoatlus)在內的翼龍類,也在白堊紀-古近紀滅絕中覆沒。 圖 /
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002271

如果我們採信最新這篇論文的論證,也就是非鳥類的恐龍,是在白堊紀末的氣候變遷中逐漸衰退,所以才會在受到隕石打擊後無法再起,那麼,對於其他同時滅亡的類群,科學家又該如何做出解釋?

從另一個角度進行設想,假設我們可用科學精確驗證,有某個類群其實持續繁盛到白堊紀的最後一刻,完全是因為隕石撞擊和後續的驟變,才一夕全軍覆沒;那麼這是否就能用來反證,不論恐龍先前有沒有衰亡,面對隕石的衝擊都難逃一死,所以這 1000 萬年的衰退期不論存在與否,都非滅絕推手?

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2018 年曾有個有意思的假說,認為現代鳥類的祖先之所以沒有在白堊紀末一同滅亡,是因為牠們體型較小且為地棲性,偶然地因此逃過撞擊後的海嘯和森林大火摧殘;反之,當時有些樹棲且飛行能力較強的鳥類,反而沒有逃過災變。

現代鳥的祖先,可能是地棲性鳥類,才逃過滅絕?圖/envato elements

無論類群的滅絕或是存活,箇中的原因,都需要反覆驗證討論。

地層中保存的化石是有限的,整個白堊紀-古近紀滅絕事件,除了「天體撞擊」這個共識以外,各類群為何會滅絕有各自的原因,難以一筆帶過。某些看似相關的跡象,可能彼此間並不存在因果關係;某些現階段無法聯想串連、看似不相干的事件,也有機會是整串骨牌中的幾個關鍵點。

科學的爭論可能永遠不會休止,也無法精準指向正確答案;但隨著研究的積累,終將有機會趨近真相所在之處。

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參考文獻

  1. Condamine, F.L., Guinot, G., Benton, M.J. et al. Dinosaur biodiversity declined well before the asteroid impact, influenced by ecological and environmental pressures. Nat Commun 12, 3833 (2021). 
  2. Chiarenza, A.A., Mannion, P.D., Lunt, D.J. et al. Ecological niche modelling does not support climatically-driven dinosaur diversity decline before the Cretaceous/Paleogene mass extinction. Nat Commun 10, 1091 (2019).
  3. Katlin Schroeder, S. Kathleen Lyons, Felisa A. Smith. The influence of juvenile dinosaurs on community structure and diversity. Science 371, 941-944
  4. Linnert, C., Robinson, S., Lees, J. et al. Evidence for global cooling in the Late Cretaceous. Nat Commun 5, 4194 (2014).
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藍羊_96
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國立清華大學分子與細胞生物所博士生,國語日報科學版專欄作者。白天做植物標本,晚上讀演化文獻,假日寫科普文章。