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거대한 공룡들은 지금부터 약 2억 5천만년 전부터 6천 6백만년 전까지 걸친 중생대라고 알려진 시대 동안에 진화했고, 번성했으며, 멸종했다. 중생대는 트라이아스기(2억 5천만년∼2억 5백만년 전), 쥐라기(2억 5백만 년∼1억 3천 5백만년 전), 백악기(1억 3천 5백만년∼6천 6백만년 전)의 세 시기로 구분된다.
 
화석 기록으로 미루어 보면, 공룡은 트라이아스기 말기인 약 2억 2천 5백만 년 전 즈음에 지구상에 최초로 나타났다. 헤레라사우루스와 스타우리코사우루스를 포함하여, 코엘루루스와 같은 몸집이 작은 초기 사냥꾼들 뿐만 아니라 조금 나중의 전용각류 등의 원시적인 공룡들은, 오늘날의 우리들에게 친숙하기도 하고 낯설기도 한 식물군과 동물군을 가진 따뜻한 열대 환경 속에서 살았다. 당시 지구는 모든 대륙이 하나로 뭉쳐 초대륙을 형성하고 있었으며 대륙 대부분은 사막처럼 덥고 건조하였다. 침엽수와 소철류, 은행나무와 같은 겉씨 식물들이 자라고 자그마한 양치 식물이 땅위를 덮고 있었다. 식물 중에는 초기 야자수도 있었지만, 꽃이 있는 풀이나 나무는 없었다. 현생의 새는 아직 진화되지 않았으나, 최초의 익룡(길고 좁은 날개를 가지고 날아다니는 파충류로, 개중에는 거대한 몇몇도 있었다)이 하늘 높이 날아올랐다. 바다는 육식 파충류인 어룡류로 가득 했으며, 오늘날 악어의 먼 조상들은 호수와 늪에서 살았다. 현생의 뾰족뒤쥐를 약간 닮은 초기 포유류들도 이 고대의 세계에 살았다. 이 시기의 공룡으로는 코엘로피시스, 플라테오사우러스, 달로포사우러스 등이다.
 
판개아 초대륙은 쥐라기 초기부터 차츰 갈라지기 시작하며 북아메리카와 아프리카로 나뉘어졌다. 대륙들이 분리되면서 바다의 확장이 시작되었고 그 덕에 대륙 내부까지 온난 다습한 기온이 형성되었다. 숲은 양치식물, 침엽수, 소철로 우거져 있었다. 쥐라기 후기는 대륙의 여전한 분리로 얕은 바다가 차츰차츰 늘어났고 키가 큰 침엽수와 소철, 양치식물, 속씨식물들이 당시의 환경을 조성하고 있었다. 주라기가 진행되면서 공룡의 종과 수는 굉장히 증가했다. 알로사우루스와 같은 커다란 육식 공룡, 코엘루로사우루스류와 같은 몸집이 더 작은 육식공룡들, 그리고 장갑 무장한 것들을 포함한 다양한 초식공룡들 모두 백악기 동안에 번성했다. 하지만 이 기간의 동식물 중에서도 가장 장관을 이룬 것은 아마도 길이가 100 피트가 넘기도 한 힘센 용각류들일 것이다. 아파토사우루스(원래는 브론토사우루스라고 불렸다)와 디플로도쿠스, 바로사우루스, 그리고 다른 많은 공룡들이 주라기 말기에 대륙들을 활보했다. 이 시기는 공룡들의 천국으로 매우 다양한 공룡들로 진화하였다. 이 시기 주요 공룡으로는 메갈로사우러스, 아파토사우러스, 브라키오사우러스, 스테고사우러스, 디프로도쿠스, 콤프소그나투스, 알로사우러스, 마멘치사우러스, 사이즈모사우러스 등이다.
 
초기 백악기 대륙은 훨씬 더 분화되었으나 북아메리카, 유럽, 아시아는 하나로 연결되어 있었다. 기온은 전체적으로 따뜻했고 여기저기서 호수들이 만들어졌을 것이다. 공룡들이 살았던 세계는 백악기 동안에 많은 변화를 겪었다. 꽃이 있는 풀과 나무들이 진화했고, 새들은(개중의 몇몇은 그들의 현생 후손들과 상당히 닮았다) 막대하게 증가했다. 새와 함께 하늘을 공유한 프테로사우루스(개중의 몇몇은 날개 길이가 50 피트나 되었을 지도 모른다)와, 바다에 살던, 목이 길고 이가 날카로운 플레시오사우루스를 포함해, 공룡이 아닌 다른 거대한 파충류들이 번성했다.
데이노니쿠스와 같이 낫 모양의 발톱을 한 수각류들, 정교한 볏을 가진 하드로사우루스류 뼈로 된 머리를 하고 있어 주목할만한 파키케팔로사우루스, 그리고 공룡들 중에서도 가장 많이 알려진 티라노사우루스와 뿔 달린 공룡 트리케라톱스 등, 가장 장관을 이룬 공룡들 중 상당수가 백악기 동안에 진화했다. 그러나, 아주 짧은 지질 연대 동안에 대부분의 공룡들은 멸종되었다. (프테로사우루스와, 플레시오사우루스, 그리고 셀 수 없이 많은 다른 식물들과 동물들도 마찬가지였다.) 그들이 어떻게 소멸했는지는 고생물학에서 가장 큰 논쟁 중의 하나로 남아 있다. 이구아나돈, 바리오닉스, 휩시로포돈, 에드몬토사우러스, 티라노사우러스, 밸롭시랩터, 안킬로사우러스, 트리케라톱스 등이 주 공룡이다.