Все самое интересное о жизни стран-соседей России
Обновлено: 08.02.2025
Наука, технологии, бизнес
11 минут чтения

Эволюция эндотермии. Ч. 2

Ярослав ПОПОВ, популяризатор науки





















































































































































































Эволюция эндотермии
Фото: unsplash.com

Итак, что у нас с динозаврами?

В целом картина прорисовывается, но если разобраться в деталях, оказывается, что с гомойотермией динозавров все не так гладко.


Динозавр среди снегов

Начнем знакомство с дыхательной системой отряда, известного как ящеротазовые динозавры. К этой группе относятся длинношеие гиганты, все древние хищники и ряд других динозавров. Еще в XIX веке было отмечено, что они обладают повышенной «пневматизацией» костей. Иными словами, в костях много воздушных полостей. Поначалу эти структуры рассматривались просто как отверстия для снижения веса. Но с работы 1972 года Роберта Беккера начался «ренессанс динозавров». Эти животные стали восприниматься не как простые медлительные ящерицы, а как шустрые умные животные. Возникла идея о том, что полости в костях могут быть связаны с воздушными мешками, напоминающими по структуре те, что присутствуют у современных птиц. Таким образом, они оказались доказательством птичьего двойного дыхания динозавров.

Эволюция эндотермии

Вскоре у этой теории появилась масса доказательств. Так, у крупнейших динозавров, как диплодоки, было установлено наличие самой развитой системы воздушных мешков, заходивших даже во все позвонки вплоть до хвоста. А еще воздушные мешки нашли у целофизисов — одних из самых примитивных динозавров!

Сложнее ситуация со вторым отрядом — птицетазовыми динозаврами (в их числе такие знаменитости, как трицератопсы, стегозавры, паразавролофы). У них до сих пор не обнаружили никаких явных признаков воздушных мешков. Сторонники птичьего дыхания предполагают, что у них могли присутствовать воздушные мешки, не образующие полости в костях. Впрочем, есть версия, что система дыхания была ближе к крокодильей или же и вовсе какой-то уникальной.

Как минимум у всех ящеротазовых, от тираннозавра до брахиозавра, была самая эффективная система дыхания. Следующий аспект — термосберегающие покровы. С этим у динозавров определенно проблем не имелось. Со времени обнаружения в 1996 году синозавроптерикса (Sinosauropteryx), крошечного хищника с отпечатками перьев, ученый мир удостоверился, что у динозавров могли быть перья. После этого обнаружили несколько десятков их отпечатков с перьями.

Следующая и, пожалуй, основная группа доказательств эндотермности динозавров скрывается в костях. Кольца роста у большинства различимы. И они демонстрируют, что многие динозавры росли очень быстро. Это и понятно: лишь размер для многих становился надежным защитником от опасностей окружающего мира. Но быстро расти мог позволить лишь очень стремительный обмен веществ. Также на теплокровность указывают и другие особенности строения кости: наличие гаверсовых каналов и фиброламеллярной ткани, т. е. ткани из хаотических волокон, растущей крайне быстро. И много другого.

Исследование стабильных изотопов кислорода, как мы помним, позволяет определить температуру древнего животного. Оказывается, у длинношеих завроподов она достигала 36–38 градусов. Что еще интереснее — один из первых представителей группы, маленький триасовый целофизис (Coelophysis), имел температуру около 38 градусов. Небольшому животному (а его длина менее 3 метров с учетом хвоста) невозможно было бы поддерживать стабильную температуру без внутренней «печки».

Наконец, многие динозавры найдены за полярным кругом, причем тогдашним, когда континенты выглядели иначе. Мезозойские животные жили там постоянно, не мигрировали, откладывали яйца, скорлупки которых найдены на Аляске, в Сибири и других местах.


Поиски совершенства

Впрочем, есть аргументы против гомойотермии динозавров. Один из основных — в области физики. При увеличении размера объем тела растет значительно быстрее, чем площадь. Если быть точным, объем растет в кубе, а площадь в квадрате. В какой-то момент объем может стать так велик, что теплокровное животное попросту не сможет охлаждаться: его тело будет выделять столько тепла, что поверхности недостаточно для рассеивания. Исследования показали, что даже эндотермные животные весом в одну тонну в тропиках разогревались бы до 40 °С. С этим можно побороться, например, выращивая большие почти плоские поверхности. Так, например, поступают современные слоны, отращивая гигантские уши. Что-то подобное мы наблюдаем и у некоторых динозавров. Например, знаменитый парус на спине у грозного спинозавра (Spinosaurus). Кроме того, крайне длинные шеи и хвосты завроподов также многими учеными воспринимаются именно как системы избавления от избытков тепла.

Эволюция эндотермии

Но есть и более существенные физические ограничения. Как уже неоднократно обсуждалось, эктотермные животные употребляют в десятки раз больше калорий. Чем крупнее, тем больше приходится есть. Теоретически подсчитано, что максимально возможным размером наземного теплокровного может быть организм весом в 20 тонн, а более крупные не смогут даже двигаться, вся их энергия уйдет на поддержание внутренних органов.

К счастью для динозавров, большинство из них весило меньше 20 тонн, даже тираннозавр с трицератопсом. Но вот длинношеие завроподы легко преодолевали барьер, достигая веса в 30, а то и 50 тонн. Такие теплокровные животные в тропическом климате нагреются до 80 °С, к тому же не смогут двигаться. Но по изотопам-то мы знаем, что они не нагревались больше 38°! Каков вывод? Они были холоднокровными! А точнее, инерционно теплокровными. Двигаясь, нагревались, потом не остывали. Могли жить и в теплом, и в холодном климате. Как мы помним, черепаха выживает при низкой температуре, так что в подобном не откажем и приполярному титанозавру.

Что ж, назначили завроподов холоднокровными, а остальных оставляем истинно теплокровными, так? Увы, нет.

Ведь у динозавров (почти) не находили турбиналий! А эти кости в носу крайне необходимы любому уважающему себя эндотермному. Впрочем… Начнем с того, что турбиналии характерны не для всех теплокровных животных. Без них, например, живут альбатросы, страусы, а из млекопитающих — слоны и, неожиданно, приматы. Отчасти это может быть связано с тем, что исходно все вышеназванные животные формировались в теплом климате, где потеря тепла не была существенной проблемой. Но и динозавры формировались исключительно в условиях теплого климата! Потом некоторые ушли в более холодные места, но исходно они были тропическими животными. К тому же турбиналии плохо сохраняются в ископаемом состоянии. Наконец, одна находка с турбиналией все же есть — толстоголового пахицефалозавра.

Теперь-то разобрались? И снова не совсем. Природа не стремится упрощать картину мира. В 2022 году вышло исследование остатков молекул древних жиров, а точнее — продуктов перекисного окисления липидов. Оно показало, что большинство динозавров были гомойотермны, кроме рогатых цератопсов, стегозавридов с пластинами на спине и утконосых гадрозавров. Но их предки были теплокровными. Получается, эти динозавры стали вторично холоднокровными, прямо как крокодилы! Наконец, в прошлом году провели изотопный анализ скорлупы яиц троодонов — птицеподобных динозавров, обладавших перьями и высоким интеллектом. Совершенно неожиданно оказалось, что две самки имели температуру 42 °С, а третья всего 29.

Какой вывод? Большинство динозавров определенно имели высокий уровень обмена веществ. Некоторые отказались от гомойотермии, чтобы экономить энергию — цератопсы, стегозавры, завроподы и, возможно, гадрозавры. Уровень контроля температуры даже самых теплокровных из нептичьих динозавров, похоже, был не столь совершенным, как у птиц. В каком-то смысле они были эндотермными, но с не очень совершенным датчиком температуры. И лишь измельчание предков птиц, а также необходимость еще большего расхода энергии для полета позволили довести терморегуляцию до полного совершенства, наблюдаемого у современных пернатых.


Терморегуляция синапсид и мозазавров

Вот мы и подобрались к млекопитающим и их предкам, объединяемым научным миром в группу синапсиды.

Скорее всего, наши предки пошли по пути эндотермии в триасовом периоде, как и многие другие. В каком виде подошли протомлекопитающие к началу триаса? В пермском периоде они, часто называемые в популярной литературе звероящерами, претерпели ряд преобразований. У них сформировалось вторичное нёбо, разделившее носовую и ротовую полости. Изменилась походка: если ранее конечности располагались по бокам, как у рептилий, то теперь оказались подобраны под тело. Это позволяло экономить энергию и бодрее перемещаться в пространстве. Также развивалась «разнозубость», что способствовало лучшему смыканию зубов, и, как следствие, более эффективному освоению калорий. Наконец, еще в пермском периоде появилась самая первая шерсть. Отметим: первые волосы найдены на территории России, в окрестностях города Вязники Владимирской области. Сохранились они внутри крайне необычной формы — копролита, т. е. окаменевших экскрементов.

Все эти процессы были важными предвестниками возникновения теплокровности. Но ускорение процессов началось с интервала 252 миллиона лет назад после великого пермо-триасового вымирания. Большая часть наших древних родственников вымерла, оставшиеся синапсиды существенно обмельчали. На протяжении триасового периода исходно небольшая группа животных, не превышающая размеров барсука, — цинодонты (Cynodonta) — продолжили тренд на уменьшение, а также перешли на ночной образ жизни. Возможно, именно это и способствовало окончательному формированию современного уровня метаболизма. Маленькому животному для поддержания активности требовалось намного больше энергии, чем большому. Кроме того, теплокровность очень кстати тем, кто весь день сидит в норе и лишь по ночам выходит покормиться насекомыми.

В качестве альтернативы формирование гомойотермии в этот период связывают с низким содержанием кислорода в атмосфере. Млекопитающие были вынуждены избавиться от ядер в красных кровяных тельцах — эритроцитах. Эти клетки имели большую площадь поверхности, а значит, могли связывать и переносить больше растворенных в крови газов — углекислого и кислорода. Кроме того, безъядерные клетки способствовали формированию более тонких капилляров, способствующих более тонкому контролю температуры тела.

Но все это лишь теория. А что говорят окаменелости? Судя по ряду признаков, постоянная температура тела могла появиться еще в позднем триасе около 233 млн лет назад. Именно к такому выводу пришли Рикардо Араухо (Ricardo Araujo) и его коллеги в 2022 году при исследовании строения внутреннего уха, а точнее, полукружных каналов вестибулярного аппарата, соединенного с ухом. Казалось бы, при чем здесь уши? Весь секрет в жидкости — эндолимфе, перемещающейся по каналам. Как было установлено, при повышении температуры до постоянно высоких значений (выше 31°C) эндолимфа становится более жидкой, а значит, может свободно перемещаться по узким каналам. Померив внутри черепов ширину каналов, можно узнать, было животное тепло- или холоднокровным. Используя этот новый хитрый способ, палеонтологи установили, что около 233 млн лет назад наши предки стали теплокровными в течение всего одного миллиона лет.

Проводилась масса других исследований, чтобы уточнить время появления теплокровности. Так, Майкл Бентон в 2021 году попробовал применить комплексный метод Phylogenetic comparative methods (PCM), что можно перевести как «сравнительные методы по родословной». Для анализа использовалось множество данных: фиброламеллярные кости, турбиналии и другое. По итогу исследования установлено, что предшественники млекопитающих стали эндомермными примерно 202 млн лет назад на границе триасового и юрского периодов. Эти данные отличаются от «ушного» метода, но в целом подтверждают, что именно триасовый период стал главным этапом становления теплокровности.

Майкл Бентон
Майкл Бентон

А как же мозазавры?

Когда мы говорили о морских хищниках, то упустили знаменитых мозазавров. Причин этому две. Во-первых, они появились лишь в меловом периоде, т. е. около 100 млн лет назад. А во-вторых, вероятнее всего, были… холоднокровными! Точнее, гигантотермами, как диплодоки или кожистые черепахи. Начнем с того, что эти монстры глубин — прямые родственники современных варанов, в том числе 17-метровый мозазавр Гоффмана. А вараны и прочие ящерицы — не архозавры (предковые формы динозавров, крокодилов, птерозавров и др. — Ред.), устроены примитивнее, и все современные рептилии этой группы холоднокровны. Кроме того, строение костей, соотношение изотопов, дыхательная система имеют промежуточное значение между «холодно-» и «тепло-». Столь неоднозначные данные показывают, что уровень обмена веществ мозазавров был определенно выше, чем у рыб или морских черепах, но не достигал такого совершенства, как у вымерших ранее плиозавров или современных китов. Что вполне вписывается в концепцию «пассивно-теплокровных» животных!

Эволюция эндотермии

Выводы

Проследив эволюционный путь многих животных и попытавшись разобраться во всех перипетиях формирования совершенной терморегуляции, можно сделать некоторые выводы.

  1. Эндотермия появлялась не один и даже не два раза. Скорее всего, независимо теплокровными смогли стать морские рептилии плезиозавры и ихтиозавры, псевдозухии (родичи крокодилов), многие динозавры и их потомки птицы, птерозавры и древние синапсиды — предки млекопитающих. Некоторые животные вроде мозазавров или завроподов, вероятнее всего, не обладали истинной теплокровностью, поддерживая ускоренный обмен веществ за счет огромного размера.
  2. Так как развитие теплокровности происходило во всех ветвях эволюции независимо, появилась эта особенность не у всех в одно время, да и механизмы становления терморегуляции отличались. Но, безусловно, крупные эволюционные процессы, такие как глобальные вымирания, стимулировали появление нововведений. Большинство животных смогло стать гомойотермными в триасовый период после крупнейшего кризиса биосферы, известного как пермо-триасовое вымирание. Дальнейшая эволюция терморегуляции могла происходить под воздействием климатических перемен, понижения уровня кислорода (если оно было) и, конечно, конкуренции между живыми организмами.
  3. Еще одним важным процессом, приведшим к ускорению обмена веществ, служило обмельчание животных. Через эту стадию прошли предки динозавров и птерозавров — лагерпетиды, а в дальнейшем еще раз предки птиц. Также уменьшились в размерах и синапсиды, перед тем как стать полноценными млекопитающими.
Эволюция эндотермии

Пожалуй, главный вывод заключается в том, что природа намного сложнее, чем наши мысли о ней. Нет абсолютно тепло- и абсолютно холоднокровных животных, между ними есть достаточно плавный переход. А уж исследовать формирование эндотермии, опираясь лишь на фрагменты информации, доносящиеся к нам сквозь пелену времен, — задача, достойная детективов. Это крайне непростая, хотя и очень интересная работа, в которой нам предстоит еще множество удивительных открытий.

Статья была опубликована в журнале «Человек и мир. Диалог», № 4(17), октябрь – декабрь 2024 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подписывайтесь, скучно не будет!