Стратегия быстрого роста

01 февраля 2012 года, 00:00

Фото: GETTY IMAGES/FOTOBANK.COM

Сравнивая ископаемых животных с современными, реконструируя условия, в которых жили древние обитатели планеты, биологи выясняют, почему доисторические существа были такими большими 

Когда заходит речь о животных-гигантах, на ум обычно приходят 7-метровый гавиал, 10-метровая анаконда, африканский слон (4,5 м в холке), 5,5-метровый жираф, 18-метровая китовая акула и, конечно, 33-метровый синий кит. Однако никто из этих великанов не сравнится по размерам со своими доисторическими предками — разве только рыбы (акулы) и киты. Судите сами: североамериканские мамонты были на метр выше, чем современные слоны, и на 3–4 т тяжелее. Ископаемый носорог парацератериум превосходил в росте нынешнего жирафа на два с половиной метра и был тяжелее в 20 раз. Длина вымершего удава Titanoboa составляла 13 м. Крокодилы саркозухусы (см. «Вокруг света» № 4, 2011 год) достигали 11–12 м в длину, что на 3–4 м больше, чем их самые длинные современные родственники. Что уж говорить о гигантских динозаврах и их пресмыкающихся родственниках — морских и летающих рептилиях, длина которых намного превышала десять метров.

Вряд ли можно объяснить все случаи гигантизма древних животных одной общей причиной. Предполагается, что их непомерный рост мог происходить под влиянием климата, который на протяжении большей части истории Земли  был намного теплее, чем сейчас. Это обстоятельство особенно важно для рептилий, большинство которых холоднокровны и потому сильно зависят от температуры окружающей среды. Именно среди рептилий возникли растительноядные динозавры — зауроподы, самые большие из когда-либо существовавших сухопутных существ.

Sauropoda (что в переводе с латыни означает «ящероногие») входят в отряд так называемых ящеротазовых динозавров Saurischia. Этот отряд подразделяется на бегавших на двух ногах хищных тероподов (Theropoda), потомками которых стали птицы, и ходивших на четырех ногах растительноядных зауро подоморфов (Sauropodomorpha), к которым принадлежали и зауроподы. Предполагается, что предки как тероподов, так и зауроподов передвигались на двух ногах и были хищниками. Однако со временем зауроподы стали потреблять растительную пищу, что привело к увеличению их массы и переходу к четвероногому образу жизни.

Первые зауроподы появились к концу триасового периода, около 220–230 млн лет назад. Их потомки процветали в юрском и меловом периодах, исчезнув вместе с другими динозаврами лишь около 65 млн лет назад. На сегодня описано около 200 видов зауроподов, и палеонтологи продолжают находить новые. Кости этих рептилий обнаружены на всех материках, включая Антарктиду, что свидетельствует об их исключительной эволюционной успешности.

Одним из первых настоящих зауроподов был 8–10-метровый Antetonitrus из позднетриасового времени (216–203 млн лет назад). А уже в раннеюрских породах возрастом 200–190 млн лет обнаружены кости 18-метрового Barapasaurus, весившего 48 т. То есть гигантами эти ящеры стали по геологическим меркам довольно быстро, за 15–20 млн лет. Есть даже данные, позволяющие предположить, что это могло произойти гораздо быстрее, менее чем за 10 млн лет.

Гигантизм: за и против

Возникновение чрезвычайно крупных организмов проще всего объяснить тем, что у гигантов не бывает врагов, которые могли бы на них охотиться. Размеры организмов определяются взаимодействием законов живой и неживой природы. В каждом конкретном случае размер животного зависит от его собственных характеристик и от условий, в которых он обитает. При этом существуют две крайние стратегии — миниатюрность и гигантизм. Мелкие животные могут убегать и надежно прятаться, а с гигантами большинству хищников трудно совладать. Такое представление, хотя и верно, но слишком упрощено. С одной стороны, конечно, чем животное крупнее, тем меньше у него естественных врагов и тем успешнее оно само охотится на более мелких животных. Кроме того, массивные существа лучше сохраняют тепло, подолгу могут обходиться без пищи и таким образом способны легче переживать природные катаклизмы. 

С другой стороны, всякое крупное животное представляет собой неповоротливую мишень. Оно дольше растет, ему нужно больше пищи. Гиганты, как правило, размножаются реже, чем мелкие животные, позже достигают половой зрелости и оставляют меньше потомков. Поэтому популяции крупных животных оказываются не столь многочисленными, а большая продолжительность жизни не позволяет им быстро обновляться, снижая способность адаптации к изменяющимся условиям среды.

Отдельные виды зауроподов по размерам в несколько раз превосходили древних животных из других групп. Так, Sauroposeidon proteles (2) достигал 34 м в длину, тогда как длина cамого крупного из тероподов, Spinosaurus aegyptiacus (1), составляла от 14,3 до 18 м (знаменитый Tyrannosaurus rex был и того меньше, «всего» 12,8 м). Самый большой из орнитоподов, Shantungosaurus giganteus (3), был примерно таким же: 15–16,6 м, а крупнейшее из млекопитающих, Paraceratherium (4), имело 9 м в длину и 8 м в высоту

И все же в ходе эволюции в большинстве групп живых организмов размеры увеличиваются, так что потомки обычно оказываются крупнее своих предков. Эту закономерность около 100 лет назад заметили два палеонтолога — американец Эдвард Коуп и француз Шарль Депере. «Развитие организмов идет от мелких предковых видов ко все более крупным», — писал Депере.

В истории каждой группы живых существ появлялись виды, заметно превосходящие по величине даже своих ближайших родственников. Конечно, смешно говорить о муравьях-гигантах, но все познается в сравнении. У муравьев из рода Dorylus особи из касты солдат достигают 3 см в длину, а размер их самки-королевы — 5 см, что на порядок больше, чем размер привычных нам рыжих лесных муравьев. А в некоторых группах природные «эксперименты» сопровождались появлением настоящих исполинов.

Строение организмов определяется совокупностью условий, складывавшихся в разные геологические эпохи, — силы тяжести, химического состава атмосферы и т. д. От этого зависят свойства клеток и тканей, в том числе скелетных,  поддерживающих форму тела животного и обеспечивающих объем, необходимый для нормальной работы внутренних органов.

Поскольку в водной среде тело весит меньше, чем на суше, именно в морях чаще появлялись виды-великаны, будь то гигантские кальмары, самые крупные беспозвоночные (до 14 м), или ракоскорпионы-эвриптериды, самые крупные членистоногие (свыше 2,5 м). Важны также тип питания и дыхания, способ передвижения и размножения, интенсивность нагревания и охлаждения тела. Стрекозы с размахом крыльев 71 см, 10-сантиметровые тараканы, 70-сантиметровые скорпионы и 2,5-метровые многоножки могли существовать только в лесах каменноугольного периода, когда доля кислорода в атмосфере достигала 35% против сегодняшних 21%. Если бы концентрация этого газа была ниже, то дыхательная система этих членистоногих, состоящая из множества трубочек-трахей, не справлялась бы с газообменом. Что и случилось в мезозое: понижение концентрации кислорода в воздухе привело к уменьшению размеров насекомых.

В некоторых случаях важны и экологические причины. Среди пресмыкающихся и млекопитающих хищники никогда не будут такими же крупными, как травоядные, поскольку количество доступной растительной пищи, как правило, превышает количество пищи животной. Саблезубые тигры были намного меньше мамонтов, а самые крупные плотоядные динозавры — тираннозавры и спинозавры — заметно ниже, короче и на порядок легче своих современников — огромных травоядных рептилий из группы зауроподовов. За долгую историю зауроподов среди них неоднократно возникали колоссы весом более 50 т, причем в разных эволюционных линиях.

Исчезнувший дважды

В 1877 году в США нашли несколько позвонков высотой от 1,5 до 2,7 м, принадлежавших неизвестному динозавру. Рядом была обнаружена огромная бедренная кость. Образцы были пересланы палеонтологу Эдварду Коупу, который на их основании описал новый вид рептилии — Amphicoelias fragillimus. Размеры этого динозавра могли быть чудовищными: высота 9,25 м, вес до 150 т, длина 55 м! Если эти данные верны хотя бы приблизительно, то Amphicoelias был самым большим из всех обитавших на нашей планете животных.

Amphicoelias fragillimus редко упоминается в литературе, поскольку неизвестно, где сейчас эти кости. В распоряжении ученых осталась лишь статья Коупа с описанием и рисунками. Коуп отмечал, что позвонки были очень хрупкими. Возможно, кости рассыпались после того, как Коуп их зарисовал. Попытки обнаружить дополнительные фрагменты гигантского динозавра успехом не увенчались. От слоя, в котором были обнаружены остатки амфицелиаса, к настоящему времени почти ничего не сохранилось.

1. Коуп был единственным палеонтологом, видевшим останки Amphicoelias. Фото: SPL/EAST NEWS
2. Американский палеонтолог Джеймс Йенсен рядом с реконструкцией ноги Supersaurus. На самом деле в ее составе только один слепок с реальной кости, найденной в 1990-х годах. Остальное было достроено по аналогии, по-видимому, с другим динозавром — Giraffatitan. Фото: GETTY IMAGES/FOTOBANK.COM

Невероятные размеры и таинственное исчезновение костей заставили некоторых коллег Коупа с недоверием отнестись к его статье. Кое-кто даже предположил, что в цифры, указывающие на гигантские размеры ящера, вкралась типографская ошибка. Тем не менее Коупу верить, скорее всего, можно, поскольку на карту была поставлена его репутация. Находка сделана в разгар «костяных войн», которые этот палеонтолог много лет вел против другого ученого — Отниела Марша. Между ними возникло жесткое соперничество в гонке за приоритетами в открытии и описании все новых ископаемых ящеров. Однако даже Марш, не упускавший случая уязвить своего соперника, никогда не ставил под сомнение данные Коупа о Amphicoelias.

Рождение великанов

Почему же среди множества динозавров именно зауроподы достигли таких невероятных размеров? Проанализировав огромный массив данных, исследователи пришли к заключению, что этому способствовала уникальная комбинация из пяти признаков. Два из них — яйцерождение и систему пищеварения — зауроподы унаследовали от предков, а три возникли уже в самой этой группе: длинная шея, специфическое строение скелета и теплокровность.

Благодаря чрезвычайно длинной шее они могли добывать пищу на высоте, недосягаемой для других растительноядных, а также охватывать огромное пространство в горизонтальной плоскости, не затрачивая силы на перемещение огромного тела. Иными словами, длинная шея позволяла зауроподам извлекать из биотопа больше энергии по сравнению с другими травоядными. А кроме того, благодаря огромной поверхности эта шея была отличным теплообменником, не дававшим динозаврам перегреваться.

Обзавестись такой длинной шеей зауроподы смогли потому, что голова у них была маленькая. Все растительноядные млекопитающие, а также так называемые птицетазовые динозавры (вторая большая группа, существовавшая вместе с ящеротазовыми), напротив, отличались крупной головой с мощными челюстными мышцами и тяжелым черепом. Ее было бы нелегко носить на длинной шее. А столь массивная голова сформировалась у них прежде всего потому, что они пережевывали пищу.

 
1. В течение долгого времени самыми длинными животными из когда-либо существовавших на Земле считали диплодоков. Юрский Diplodocus hallorum был описан в 1991 году, и он, возможно, достигал 35 м в длину. Но при таких огромных размерах вес его, по-видимому, не превышал 20 т
2 Живший в конце юрского периода Supersaurus vivianae предположительно достигал 30–34 м в длину при весе 40 т
3 Argentinosaurus huinculensis, рассчитанный вес которого составлял 72 т. Длина этого чудовища колебалась от 25 до 40 м
4 Существование Amphicoelias fragillimus окончательно не подтверждено, однако он мог быть крупнейшим из всех когда-либо обитавших на Земле существ.
По оценкам, его шея достигала 16,75 м, длина тела — 9,25 м, хвоста — 32 м. Высота передних конечностей составляла 5,75 м, задних — 7,5 м. Общая высота амфицелиаса при таких ногах должна была достигать 9,25 м, общая длина превышала 55 м
5. Одним из самых больших и тяжелых зауроподов мог быть позднемеловой Bruhathkayosaurus matleyi. Его вес предположительно достигал 139 т при длине 34 м
6. Раннемеловой Sauroposeidon proteles достигал 34 м в длину и весил 50–60 т. Зауропосейдон был самым высоким из всех живых существ и обладал самыми длинными позвонками, до 1,4 м. Как предполагают, этот динозавр мог поднимать голову на высоту 17 м. А в 2001 году в Аргентине были обнаружены кости динозавра, названного Puertasaurus reuili. Судя по размерам отростков его самого крупного позвонка, диаметр туловища этого существа достигал 8 м. Общая его длина оценивается в 35–40 м, а вес в 80–100 т

 

Зауроподы же, подобно своим предкам, жевать не умели. Строение их зубов и челюстей указывает на то, что, срывая листья и откусывая побеги, они глотали их целиком. Пища переваривалась за счет длительного пребывания в кишечнике, задний отдел которого населяло множество бактерий.

Маленькая голова зауроподов была снабжена многочисленными сменяющимися зубами, образующими тесные ряды (иногда до 50 на челюсть, от 6 до 30 зубов  в каждом ряду) и похожими у одних на толстые карандаши, у других — на массивные ложки, в зависимости от рациона питания.

Удлинение шеи зауроподов происходило как за счет удлинения позвонков, так и за счет увеличения их числа. У млекопитающих шейных позвонков, как правило, семь, в том числе у жирафа. А вот у одного из самых длинношеих (9,3 м) зауроподов Mamenchisaurus в состав шеи входило 19 позвонков. Более того, маменчизавры обладали и самыми длинными шейными ребрами, иногда превышавшими 4 м. Они были каркасом, к которому крепилась мощная мускулатура шеи. Шея удерживалась под разными углами благодаря системе мощных связок, а также мышцам с так называемыми медленными волокнами, затрачивающими при работе гораздо меньше энергии, чем волокна быстрые.

Голову, сидящую на очень длинной шее, трудно обеспечивать кровью, для этого необходимо высокое кровяное давление и мощное сердце. Сердце современного жирафа достигает 60 см в диаметре и весит 10 кг. Согласно расчетам, масса сердца 38-тонного ящера составляла 200 кг. Судя по родству с птицами и крокодилами, зауроподы обладали четырехкамерным сердцем, а следовательно, им было свойственно полное разделение венозной и артериальной крови, что позволяло достигать нужного давления.

От своих предков зауроподы унаследовали яйцерождение. Каждый сезон они формировали по несколько кладок яиц, размножаясь чаще, чем крупные млекопитающие, которые позже достигают половой зрелости и приносят немногочисленное потомство. Причем чем больше был динозавр, тем больше яиц он мог отложить, что увеличивало шансы на выживаемость вида в целом.

Новоприобретением динозавров (кстати, не только зауроподов, но и тераподов) стал «птичий» скелет. Их шейные и туловищные позвонки (а иногда и ребра), хвостовые позвонки и седалищные кости таза имели большое количество полостей, в которые, как предполагается, заходили выросты воздушных мешков. Система воздушных мешков, сообщающихся с легкими, хорошо изучена у современных птиц. Она значительно увеличивает эффективность газо- и теплообмена, поскольку обеспечивает однонаправленное и постоянное перемещение воздуха в легких. Другими словами, не только во время вдоха, но и во время выдоха через легкие проходит свежий воздух.

Появление системы воздушных мешков способствовало увеличению темпов метаболизма. Высокий уровень метаболизма и теплокровность обусловливали быстрый рост зауроподов вплоть до достижения ими половой зрелости. Ни одна из рептилий, зависящая от внешней температуры, не росла и не растет так быстро, как росли зауроподы.

Итак, если согласиться с предположением, что увеличение размеров ставит организм в более выгодные условия, то эволюционная линия его потомков будет «расти», пока не достигнет пределов физических свойств живой материи. В случае с зауроподами, это, по-видимому, было именно так, а описанные особенности их строения и физиологии им в этом помогали. Возможно, изначальный толчок гигантизму зауроподов дало повышение уровня обмена веществ, обеспечившее быстрые темпы роста в раннем возрасте. Благодаря длинной шее они могли добывать пищу в любых условиях с минимальными энергетическими затратами, «птицеподобная» дыхательная система делала крайне эффективными метаболизм и теплообмен, а частое размножение защищало популяции зауроподов от многочисленных превратностей судьбы. Все вместе это не только позволило им стать крайне успешной и многочисленной группой, доминировавшей на суше на протяжении большей части мезозойской эры, но и опередить по размерам всех наземных и большинство морских существ.

Иллюстрации Эльдара Закирова

Ключевые слова: динозавры
Просмотров: 22530