суббота, 2 ноября 2013 г.

Почему самые большие динозавры стали такими большими?

Источник: ЕСОпортал

Апатозавр на водопое (иллюстрация Wikimedia Commons).
Апатозавр на водопое (иллюстрация Wikimedia Commons).

Наряду с Tyrannosaurus rex «типовой» зауропод — одно из наиболее узнаваемых доисторических животных. Ни с чем не спутаешь его элегантную фигуру на четырёх «тумбах», длинный мускулистый хвост и, самое главное, огромную шею с крошечной головкой.

Своей массой эти существа могут сравниться с крупными усатыми китами (около 85 т) и по этому показателю намного превосходят всех остальных сухопутных тварей, когда-либо ходивших по земле. Сам собой возникает вопрос: почему они стали такими большими?

Ответ на него предложила обширная междисциплинарная группа учёных, которая
опубликовала сразу 14 статей в онлайн-журнале PLoS ONE.
Гигантизм зауроподов объясняется по-разному, зачастую возникают самые экзотические версии — вплоть до того, что в мезозойской эре (ок. 66–252 млн лет назад) сила тяжести Земли была меньше, чем сейчас. При этом бросается в глаза странно небольшое количество научных исследований на эту тему. Возможно, дело в банальной сложности вопроса и необходимости возиться с хрупкими костями.

Но что бы ни стояло за этой нерадивостью, она уходит в прошлое: несколько лет назад правительство Германии выделило солидные деньги на изучение биологии зауроподов, и в особенности происхождения их гигантизма. Мартин Зандер из Боннского университета курирует работу 13 групп, представляющих самые разные научные дисциплины. Опубликовано более сотни трудов и книга, их суммирующая. И вот — новая порция выводов, касающихся нескольких аспектов биологии зауроподов, а также того, как модель развития их гигантизма, подготовленная этими учёными, согласуется с текущими исследованиями.

«Каскадная модель эволюции» (Evolutionary Cascade Model, ECM) — основная гипотеза этой группы. Предполагается, что уникальная смесь прогрессивных и примитивных признаков — физиологических и функционально-анатомических характеристик, которыми обладали предки зауроподов, — привела к нескольким каскадам эволюционных изменений, породившим положительную обратную связь и тем самым позволившим зауроподам перерасти всех прочих сухопутных животных.

Что же это была за смесь? Если коротко — высокая интенсивность обмена веществ и дыхательный аппарат в птичьем стиле, то есть с однонаправленным потоком воздуха сквозь лёгкие (прогрессивные признаки), вкупе с порождением большого количества маленьких детёнышей и крайне слабой обработкой пищи во рту (примитивные признаки).

Гипотеза состоит в том, что эти признаки считаются причиной пяти взаимосвязанных эволюционных каскадов, которые коснулись 1) размножения, 2) питания, 3) строения головы и шеи, 4) лёгких и 5) обмена веществ.

Для примера давайте возьмём каскад изменений в питании.

Начнём с такого примитивного признака, как полное или почти полное отсутствие жевания. Следовательно, ранние зауроподы (напомним, они были строгими вегетарианцами) за считанные минуты съедали очень много, поскольку между попаданием пищи в рот и проглатыванием проходило совсем мало времени. И действительно, в истории зауроподов наблюдается развитие нескольких специализаций, содействующих ускоренному приёму пищи: очень быстрое обновление зубов, расширение челюстей и утрата щёк — всё ради того, чтобы как можно быстрее сорвать и побольше проглотить. У особей с такими признаками появилось преимущество: за данный промежуток времени они получали больше энергии, чем другие виды, — при условии, конечно, что пищеварительная система могла принять и обработать такой объём плохо пережёванной еды. Результатом стал быстрый рост тела.

Для прояснения вопроса о взаимосвязи каскадов давайте проследим, как эти изменения могли быть связаны с анатомическими трансформациями головы и шеи. Поскольку не надо было тщательно пережёвывать пищу, зауроподы не нуждались в соответствующем наборе мышц. К примеру, у современных млекопитающих жевательные мышцы и размеры головы, которой приходится их нести, увеличиваются сообразно с размерами тела. А наши герои счастливо этого избежали, сохранив маленькую голову, движения которой требовали меньше энергии. Это позволило шее удлиниться, и зауроподы стали съедать больше пищи, не сходя с места, и тем самым получать ещё больше энергии с минимальными затратами. Поэтому объём пищеварительной системы продолжал расти, а вместе с ним — и размеры тела.

Это пример только одного каскада и одной каскадной цепочки. Вся модель, конечно, сложна и стремится объяснить целый ряд трансформаций, которые в конечном счёте выходят за рамки эволюции зауроподов и ведут к появлению черепах и млекопитающих.
Можно ли говорить, что тем самым учёным удалось-таки нарисовать единую картину биологии зауроподов? К сожалению, не совсем.

Внутри этой замечательной группы учёных тоже есть разногласия. Например, они касаются того, под каким углом зауроподы держали шею. Все выводы на этот счёт вытекают обычно из цифровых моделей скелета, в которых каждая косточка соединяется с соседними и подгоняется таким образом, чтобы суставные фасетки пересекались максимально или минимально. Таким образом устанавливаются диапазон движений (ДД) и нулевое остеологическое положение (НОП), при котором поверхности суставов максимально пересекаются и кости подходят друг к другу самым удобным образом.

В одной из тех четырнадцати статей говорится о том, что, судя по НОП, зауроподы держали шею прямо, а не выгибали её на манер лебедей. ДД же не позволял голове подниматься высоко, тогда как широкие движения в горизонтальной плоскости были возможны, так что сравнения с жирафами неправомерны.

Ничего подобного, утверждают коллеги этих учёных в другой статье. Они уверены, что НОП ничего не говорит о высоте, на которую могла подняться голова, и что все эти модели не учитывают влияния на оба показателя мягких тканей, в том числе суставных хрящей и межпозвоночных дисков.

Но если мы хотим прояснить ситуацию с гигантизмом зауроподов, то основной проблемой всё-таки остаётся измерение массы тела вымерших животных, от которых остались только скелеты, к тому же не всегда полные. Задача очень трудная. Предлагаются самые разные методы оценки массы, которые приводят к большому разбросу результатов.

Одна из новых статей описывает очередную попытку, причём в центре внимания оказывается крупнейший зауропод — аргентинозавр (см. видео ниже). По результатам сканирования полного скелета кости окружили выпуклым каркасом — это один из самых простых способов оценки объёма динозавра, а затем и массы. Метод испытывался на современных животных и дал неплохие результаты. Возможно, 85 т, которыми наделили аргентинозавра на этот раз, и впрямь недалеки от истины.

Только не надо забывать, что этот скелет и сам является компьютерной мозаикой различных родственных зауроподов, ибо аргентинозавр известен по весьма фрагментарным останкам. Более того, ни один зауропод сверхгигантских размеров не потрудился отправить в наше время полный скелет, так что вычисление верхнего предела массы этих динозавров остаётся проблемой.

Можно попытаться обойти её измерением следов: есть надежда рассчитать массу по сотворившей их силе. В отличие от скелетов, следы самых крупных зауроподов хорошо представлены в палеонтологической летописи. Проверка метода на слонах тоже неплохо его зарекомендовала.

Но пока этого не сделано, ведь нужно знать физические свойства той субстанции, в которую ступил динозавр, и то, как она деформируется при подобном воздействии. Что это была за субстанция и в каком состоянии пребывала в тот момент, нелегко выяснить по камню.

Как видим, тайна одного из самых выдающихся примеров биоинженерии не разгадана. Всё-таки очень трудное это занятие — восстанавливать «вчера» по тому, что осталось от него сегодня.

Подготовлено по материалам The Conversation.
Источник Компьюлента