«Время динозавров»

В книге «Время динозавров: Новая история древних ящеров» (издательство Альпина нон-фикшн), переведенной на русский язык Константином Рыбаковым, американский палеонтолог Стив Брусатти прослеживает эволюцию динозавров от триасового до мелового периода. Автор детально рассказывает об их происхождении, описывает расцвет и удивительное разнообразие, а затем — катастрофическое вымирание. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, рассказывающим о динозаврах-сверхгигантах завроподах и о том, как им удалось стать настолько большими.

Динозавры завоевывают господство

Лучше и не скажешь: завроподы, которые оставили следы в той древней шотландской лагуне, были поразительными существами. Поразительными в прямом смысле слова — впечатляющими, устрашающими, поражающими воображение. Если бы мне дали чистый лист бумаги и ручку и попросили придумать мифического зверя, мое воображение не смогло бы сравниться с тем, что эволюция создала в облике завропод. Но они существовали на самом деле: рождались, росли, двигались, ели и дышали, прятались от хищников, спали, оставляли следы и умирали. Сегодня нет абсолютно ничего похожего на них — нет животных с такими длинными шеями и гигантскими телами, и ни одно наземное существо даже близко не сравнится с ними по размеру.

Завроподы настолько поразительны, что, когда в 1820-х гг. были найдены первые кости, ученые оказались в тупике. Некоторых первых динозавров нашли примерно в то же время, например хищного мегалозавра и растительноядного игуанодона. Несомненно, это были большие животные, но только не по сравнению с гигантскими костями завропод. Поэтому ученые не провели аналогию с динозаврами. Вместо этого они решили, что кости принадлежат единственным животным, которые, по их мнению, могли быть настолько огромными, — китам. Эту ошибку исправили только через несколько десятилетий. Удивительно, но поздние открытия показали, что многие завроподы были даже крупнее большинства китов. Это самые крупные животные, которые когда-либо ходили по суше, они раздвигали пределы возможного для эволюции.

Тут мы приходим к вопросу, который больше века завораживает палеонтологов: как завроподы стали такими большими?

Это одна из величайших загадок палеонтологии. Но, прежде чем пытаться найти ответ, нужно решить более фундаментальную задачу: а насколько велики были завроподы? Насколько они были длинными, как высоко могли вытянуть шею, а главное, сколько они весили? Ответить на эти вопросы нелегко, особенно когда дело касается веса, ведь нельзя просто посадить динозавра на весы и посмотреть на шкалу. Открою профессиональный секрет палеонтологов: многие фантастические числа, которые вы видите в книжках или музеях (бронтозавр весил 100 т и был больше самолета!), по сути, просто выдуманы. Обоснованные предположения, а иногда и не очень обоснованные. Тем не менее в последнее время палеонтологи придумали два разных подхода, чтобы точнее вычислить вес динозавра по его костям.

Первый на самом деле довольно простой и опирается на элементарную физику: более тяжелым животным нужны более прочные кости для поддержания веса. Этот принцип отражается во всем устройстве животного. Ученые измерили кости конечностей у многих современных животных, и оказалось, что толщина основной кости в конечности, которая поддерживает животное, — бедренной кости у двуногих животных или бедренной плюс плечевой у четвероногих — хорошо коррелирует с весом животного. Другими словами, есть уравнение, которое работает почти для всех современных животных: если измерить толщину кости конечностей, то с небольшой, но известной погрешностью можно рассчитать массу тела — несложный подсчет, для которого достаточно простого калькулятора.

Второй метод более трудоемкий, но он гораздо интереснее. Ученые строят трехмерную цифровую модель скелета динозавра, в специальных программах добавляют к ней кожу, мышцы и внутренние органы, а затем компьютер рассчитывает массу тела. Этот метод впервые применили молодые британские палеонтологи Карл Бейтс, Шарлотта Брасси, Питер Фалкингем, Сьюзи Мэйдмент и их коллеги — начиная от биологов, специализирующихся на современных животных, до специалистов по информатике и программистов.

Несколько лет назад, когда я заканчивал кандидатскую, Карл и Питер пригласили меня поучаствовать в изучении размеров и пропорций тела завропод с использованием цифровых моделей. Задача была амбициозная: построить подробную компьютерную анимацию всех завропод с достаточно полными скелетами и выяснить, как велики были эти животные и как изменялось их тело, когда они вырастали до поистине титанических размеров. Меня позвали из чисто практических соображений: одни из лучших в мире скелетов завропод выставлены в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке, где я в то время занимался, а им нужны были данные по одному из них — позднеюрскому барозавру. Меня проинструктировали, как собрать данные для построения модели. К моему удивлению понадобились только обычная цифровая камера, штатив и линейка. Я сделал около сотни фотографий смонтированного скелета барозавра со всех сторон, установив камеру на штативе и убедившись, что на большинстве изображений есть линейка. Затем Карл и Питер ввели изображения в компьютерную программу, которая сопоставила эквивалентные точки на фотографиях, замерила расстояния между ними по линейке и в итоге из исходных двухмерных изображений построила трехмерную модель.

Этот метод называется фотограмметрией — настоящая революция в изучении динозавров. Сверхточные модели, которые при этом получаются, позволяют достигать очень точных данных. Кроме того, их можно загрузить в анимационное ПО и заставить бегать и прыгать, чтобы определить, на какие виды движений и какое поведение были способны динозавры. С их помощью можно даже анимировать фильмы или документальные передачи, гарантируя, что на экране появятся самые реалистичные существа. Эти модели буквально оживляют динозавров.

Наше цифровое моделирование, как и более традиционные исследования, основанные на измерениях конечностей, позволило прийти к одному и тому же выводу: завроподы были очень, очень большими. Примитивные протозавроподы вроде платеозавра достигали относительно больших размеров еще в триасе, некоторые весили по 2–3 т. Это примерно как жираф или два. Но когда Пангея начала распадаться, вулканы — извергаться, а триасовый период сменился юрским, истинные завроподы стали куда крупнее. Следы в шотландской лагуне оставлены животными весом 10–15 т, а еще позже знаменитые создания — бронтозавр и брахиозавр — стали весить более 30 т. Но и это ерунда по сравнению с меловыми видами, такими как дредноут, патаготитан, аргентинозавр, входящими в подгруппу с очень точным названием «титанозавры», которые весили более 50 т — больше, чем «Боинг-737».

Сегодня самые большие и тяжелые наземные животные — это слоны. Они бывают разного размера, в зависимости от того, где живут и к каким видам относятся, но большинство весит по 5–6 т.

По-видимому, самый большой задокументированный слон весил около 11 т. Слоны — ничто против завропод. А значит, возвращаемся к вопросу на миллион: как эти динозавры сумели достичь размеров, настолько превосходящих все, что когда-либо порождала эволюция?

Для начала нужно понять, что вообще нужно животному, чтобы стать действительно большим. Во-первых, пожалуй, самое очевидное: нужно много есть. Судя по размеру завропод и питательной ценности самой распространенной пищи юрского периода, считается, что крупные завроподы вроде бронтозавра должны были съедать около 45 кг листьев, стеблей и веток каждый день, а то и больше. Поэтому им нужно было как-то собирать и переваривать такое огромное количество зелени. Во-вторых, нужно быстро расти. Расти не спеша, год за годом, прекрасно и замечательно, но если вам нужно больше 100 лет, чтобы стать большим, у хищников появится масса возможностей съесть вас, у деревьев — упасть на вас во время бури, а у болезней — убить вас задолго до того, как вы дорастете до полного взрослого размера. В-третьих, нужно дышать очень эффективно, чтобы иметь достаточно кислорода для всех метаболических реакций в огромном теле. В-четвертых, нужно, чтобы скелет был надежным и прочным, но при этом не громоздким и неподъемным. Наконец, нужно избавляться от избытка тепла, ведь в жару крупные животные легко могут умереть от перегрева. Завроподы все это умели. Но как? Многие ученые, которые задумывались над этим вопросом несколько десятилетий назад, соглашались на простейший ответ: возможно, в мезозое сама физическая среда была другой. Может, сила тяжести была слабее, поэтому крупным животным было легче расти и передвигаться. Или в атмосфере было больше кислорода, поэтому неуклюжие завроподы дышали, а значит, росли и функционировали более эффективно. Эти предположения, может, и звучат убедительно, но они не выдерживают пристальной проверки. Нет данных, что в эпоху динозавров гравитация сильно отличалась от современной, а уровень кислорода тогда был примерно таким же или даже немного ниже.

Есть лишь одно правдоподобное объяснение: у завропод было что-то, благодаря чему они смогли разорвать кандалы, сковывающие всех прочих наземных животных — млекопитающих, рептилий, земноводных, даже других динозавров — и не дающие им достичь гигантских размеров. Похоже, разгадка кроется в их уникальном строении тела — сочетании признаков, которые появились по отдельности в триасе и самом начале юры и в итоге создали животное, прекрасно приспособленное, чтобы стать гигантом.

Все начинается с шеи. Длинная, веретенообразная тонкая шея, вероятно, самая узнаваемая черта завроподовых. Более длинная, чем обычно, шея появилась у самых древних триасовых протозавропод, со временем она пропорционально увеличивалась, по мере того как завроподы наращивали количество шейных позвонков и к тому же удлиняли каждый отдельный позвонок. Как броня Железного человека, длинная шея давала суперсилу: она позволяла завроподам, в отличие от других растительноядных животных, дотягиваться до более высоких деревьев, что открывало доступ к совершенно новому источнику пищи. Кроме того, они могли встать в одном месте на несколько часов и двигать только шеей вверх, вниз и по сторонам, как сборщик ягод, с минимальными затратами энергии поедая растения. А значит, они могли поглотить больше пищи и таким образом запасать энергию эффективнее конкурентов. Это адаптивное преимущество номер один: шея позволяла поедать огромное количество пищи, необходимое, чтобы набрать огромный вес.

Посмотрим, как они росли. Вспомним, что динозавроморфы, предки динозавров, достигли более высокого метаболизма, более быстрых темпов роста и более активного образа жизни, чем многие из амфибий и рептилий, которые тоже активно развивались в раннем триасе. Они не были сонными, им не нужна была вечность, чтобы дорасти до взрослого размера, как игуанам или крокодилам. То же можно сказать и об их потомках, динозаврах. Исследования роста костей свидетельствуют, что детеныши большинства завропод, выбираясь из гнезда, были размером с морскую свинку и дорастали до взрослой особи размером с самолет всего лишь за 30–40 лет — невероятно быстро для такой метаморфозы. Это преимущество номер два: завроподы получили от своих далеких предков размером с кошку быстрый рост, необходимый для достижения больших размеров.

От тех же предков завроподы унаследовали кое-что еще: высокоэффективные легкие. Легкие завропод были очень похожи на легкие птиц и сильно отличались от наших. В то время как легкие млекопитающих циклично вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ, у птиц так называемое однонаправленное легкое: воздух проходит через него только в одном направлении, а кислород извлекается и во время вдоха, и во время выдоха. Легкое птичьего типа гораздо эффективнее, ведь каждый вдох и выдох приносит кислород. Это поразительное достижение биоинженерии стало возможным благодаря воздушным мешкам, соединенным с легкими, в которых на вдохе запасается часть обогащенного кислородом воздуха, а потом он проходит через легкие на выдохе. Если звучит непонятно, не расстраивайтесь: биологам понадобились десятки лет, чтобы разобраться, как работает это странное легкое.

Мы знаем, что завроподы обладали такими легкими, потому что во многих костях их грудной клетки есть большие отверстия (они называются пневматическими), которые образуются, когда воздушные мешки глубоко проникают внутрь костей. Точно такие же структуры есть у современных птиц, и они образуются только от воздушных мешков. Так что это адаптация номер три: у завропод были ультраэффективные легкие, которые могли усваивать достаточно кислорода, чтобы поддерживать активный метаболизм в их огромных телах. У тероподовых динозавров тоже были легкие птичьего типа, что могло стать одним из факторов, позволивших тираннозаврам и другим гигантским охотникам стать такими большими, а вот у птицетазовых динозавров легкие были не такие. Вот почему утконосые динозавры, стегозавры, рогатые и бронированные динозавры так и не стали столь же огромными, как завроподы.

Оказывается, у воздушных мешков также имеется и другая функция. Помимо запасания воздуха при дыхании они облегчают скелет, когда проникают в кости. В сущности, они делают кости полыми, сохраняя прочную внешнюю оболочку, но снижая вес. По той же причине надутый баскетбольный мяч легче, чем камень такого же размера. Хотите знать, как завроподы удерживали свои длинные шеи и не опрокидывались, как неуравновешенные качели? Просто их позвонки были настолько заполнены воздушными мешками, что по сути представляли собой соты — прочные, но легкие, как перышко. Это преимущество номер четыре: воздушные мешки позволили завроподам иметь скелет, одновременно прочный и достаточно легкий для передвижения. Млекопитающим и птицетазовым динозаврам не так повезло, ведь у них не было воздушных мешков.

А что насчет пятой адаптации, способности сбрасывать избыток тепла? Тут тоже помогали воздушные мешки и легкие. Воздушных мешков было так много, и они так широко распространялись по телу, входя в кости и между внутренними органами, что создавали большую поверхность для рассеивания тепла. Горячее дыхание охлаждалось этой центральной системой кондиционирования.

Соединив все это, можно построить динозавра-сверхгиганта. Если бы у завропод отсутствовала хотя бы одна из перечисленных особенностей — длинная шея, быстрый рост, эффективные легкие, система воздушных мешков для охлаждения и облегчения веса, — то они, вероятно, не смогли бы стать такими исполинами. Это было бы физиологически невозможно. Но эволюция собрала все части, упорядочила их, и, когда в поствулканическом юрском периоде мозаика сложилась окончательно, вдруг оказалось, что завроподы могут делать то, чего не смог сделать никто ни до, ни после них. Они стали библейски огромными и заселили весь мир; началось их великолепное правление, которое продлилось еще 100 млн лет.

Подробнее читайте:
Брусатти, С. Время динозавров: Новая история древних ящеров / Стив Брусатти ; Пер. с англ. [Константина Рыбакова] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 358 с.