Как динозавры стали птицами

Как динозавры стали птицами

Жизнь на нашей планете сохранялась на протяжении тысячелетий, адаптируясь к любым, без преувеличения, условиям, с которыми могли столкнуться живые организмы, и процветала, пройдя путь от самых первых скромных форм до волнующей и невероятной истории нашего собственного вида. В книге «Очень краткая история жизни на Земле» известного английского палеонтолога и специалиста по эволюционной биологии Генри Джи перед нами стремительно проносятся последние 4,6 миллиарда лет. Публикуем отрывок с удивительной историей о том, как динозавры стали птицами. 

Динозавры всегда были созданы для полета. Началом стала их приверженность двуногости, которая всегда была сильнее, чем у любых из их крокодилоподобных родственников. 

У большинства животных, передвигающихся на четырех ногах, центр тяжести расположен в районе груди. Чтобы встать на задние лапы, таким животным приходится тратить много сил, и долго стоять в вертикальном положении им тяжело. У динозавров же центр тяжести был смещен назад, к тазовой области. Относительно короткое спереди от бедер, сзади тело уравновешивалось длинным жестким хвостом, поэтому динозавры могли без усилий стоять на задних лапах. В отличие от других амниот с коренастыми мощными конечностями, задние ноги динозавров могли быть длинными и тонкими. Ноги, утончающиеся к концам, легче передвигать. Чем легче передвигать конечности, тем быстрее можно бегать. Передние конечности, больше не задействованные в передвижении, уменьшились, а кисти освободились для других дел — захвата кусков добычи или лазанья по деревьям. 

Похожие на длинный рычаг, балансирующий на длинных задних лапах, динозавры обзавелись системой координации, которая постоянно отслеживала положение тела в пространстве. Их мозг и вся нервная система были отточены лучше, чем у любого другого существовавшего до тех пор животного. Благодаря всему этому динозавры могли не только стоять, но и бегать, расхаживать, вертеться и крутиться с самоконтролем и грацией, подобных которым Земля еще не видела, и это оказалось формулой успеха. 

Динозавры прошлись паровым катком по остальным формам жизни. К концу триаса они стали столь разнообразны, что заняли все наземные экологические ниши, подобно терапсидам в перми, — но сделали это с непревзойденной элегантностью. Хищные динозавры всех размеров охотились на растительноядных динозавров. Растительноядные же для защиты или вырастали до размеров грузовика, или обрастали броней толщиной с танковую. Завроподы вернулись к четвероногости и стали самыми большими наземными животными за всю историю: некоторые из них достигали 50 метров в длину и весили более 70 тонн, как аргентинозавр (Argentinosaurus). 

Сравнение размеров некоторых из самых известных образцов тираннозавра и человека. Источник: Wikipedia

Но даже гигантам не удалось полностью избежать угрозы быть съеденными. На них охотились гигантские хищники — «сухопутные акулы» кархародонтозавры (Carcharodontosaurus) и гиганотозавры (Giganotosaurus). Апофеозом — на закате эры динозавров — стал тираннозавр (Tyrannosaurus rex). 

В этом создании потенциал уникального строения динозавров был использован полностью. Задние конечности пятитонного монстра представляли собой пару колонн мышц и связок, в которых скорость и грация предшественников были принесены в жертву невероятной мощи и почти непреодолимой силе. Уравновешенное длинным хвостом тело было относительно коротким, передние конечности уменьшились до крохотных придатков, основная масса сконцентрировалась в шейных мышцах и длинных челюстях. Челюсти были полны зубов, размерами и формой напоминавших бананы — если бы бананы могли быть прочнее стали. Эти зубы могли крушить кости и пробивать броню медлительных, но хорошо защищенных растительноядных размером с автобус — таких, как анкилозавр или многорогий трицератопс. Тираннозавр и его родня отрывали от добычи кровавые ломти и заглатывали их целиком — с костями, броней и всем остальным. 

Но с неменьшим успехом динозавры могли быть и маленькими. Некоторые могли бы станцевать у вас на ладони. Например, микрораптор (Microraptor) был размером с ворону и весил не больше килограмма, а своеобразный и (Yi), похожий на летучую мышь и такой же крохотный, как его название, весил вдвое меньше. 

Терапсиды были размером от мелкого терьера до слона, но динозавры превзошли их со всех сторон. Как же им удалось стать такими громадными — и такими крошечными? 

Все началось со способа дыхания. 

Еще в глубокой древности среди амниот произошел раскол. Млекопитающие — последние выжившие терапсиды, дотриасовые реликты, смело прятавшиеся в тени динозавров, — дышали, просто вдыхая и выдыхая. Если взглянуть беспристрастно — это довольно неэффективный способ снабжать тело кислородом и избавлять от углекислоты. Приходится расточительно расходовать энергию на прокачку свежего воздуха через рот и нос и далее по дыхательным путям в легкие, где кислород всасывается в кровеносные сосуды, окружающие легкие. И те же кровеносные сосуды должны сбросить избыток углекислоты в тот же самый просвет легких, откуда воздух надо выкачать наружу по тому же длинному пути. Поэтому очень сложно избавиться сразу от всего несвежего воздуха в легких, равно как заполнить каждый уголок легкого свежим воздухом за один вдох. 

Другие амниоты — динозавры, ящерицы и прочие — тоже вдыхают и выдыхают воздух через те же отверстия, но последовательность событий между вдохом и выдохом у них совсем другая. Эти животные развили одностороннюю систему работы с воздухом, благодаря которой дыхание стало гораздо более эффективным. Воздух после вдоха попадал в легкие, но не выходил обратно сразу же. Вместо этого через односторонние клапаны он направлялся в обширную систему воздушных мешков. Подобная картина наблюдается у некоторых современных ящериц, но максимально использовали систему воздушных мешков динозавры. У них воздушные мешки — фактически расширения легких — окружали внутренние органы и даже заходили внутрь костей. Динозавры были воздушными животными. 

Такая система работы с воздухом была столь же элегантна, сколь необходима. Имея развитую нервную систему и ведя активный образ жизни, динозавры вырабатывали и расходовали большое количество энергии, которое существенно нагревало их тела. При такой активности необходимо доставлять кислород к нуждающимся в нем тканям настолько эффективно, насколько это только возможно. Двигательная активность приводила к выработке значительного количества избыточного тепла. Воздушные мешки хорошо поглощали и рассеивали его. В этом кроется секрет громадных размеров, которых достигали динозавры — у этих животных было воздушное охлаждение. 

Если тело растет в размерах при сохранении формы, то его объем увеличивается гораздо быстрее площади его поверхности. Иными словами, чем больше размеры тела, тем больше соотношение между объемом внутренних и поверхностных тканей. В результате может возникнуть проблема снабжения тела пищей, водой и кислородом, как и проблема удаления отходов и тепла, вырабатываемого в результате жизнедеятельности, — ведь площадь поверхности, через которую происходит обмен, по отношению к объему обслуживаемых тканей неуклонно уменьшается. 

Большинство созданий имеют микроскопический размер, так что для них такой проблемы не существует, но стоит вырасти больше типографской точки — и она встанет в полный рост. Решением является, во-первых, развитие специализированных транспортных систем, таких как сосудистая, легкие с системой бронхов и альвеол; а во-вторых — изменение формы и создание увеличенных или запутанных конструкций в качестве радиаторов, от парусов пеликозавров и ушей слонов до сложных лабиринтов в легких, которые, помимо газообмена, выполняют и другую важную роль, активно рассеивая тепло. 

У некоторых пеликозавров (например, у диметродона) на спине был гребень («парус») из кожи. Источник: Wikipedia

Млекопитающие, оказавшись в мире без динозавров и получив возможность не ограничиваться размерами барсука, решили эту проблему за счет избавления от волос по мере увеличения размеров тела и потоотделения. Капельки влаги, испаряясь на поверхности тела, забирают необходимое для этого тепло от подкожной сети сосудов, создавая эффект охлаждения. Выдыхаемый из легких воздух тоже уносит с собой тепло, поэтому некоторые особенно мохнатые млекопитающие тяжело дышат, открыв пасть и высунув длинный влажный язык, чтобы охладиться. Самым большим наземным млекопитающим был парацератерий (Paraceratherium) — высокий безрогий носорог с вытянутым телом, живший около 30 миллионов лет, спустя многие миллионы лет после исчезновения динозавров. Его рост был около 4 метров в холке, а вес — до 20 тонн. 

Но крупнейшие динозавры были намного, намного больше. У гигантских завропод, таких как один из крупнейших когда-либо существовавших наземных животных 70-тонный 30-метровый аргентинозавр, площадь поверхности была ничтожна в сравнении с объемом тела. И даже изменения формы тела — удлинения шеи и хвоста — было совершенно недостаточно, чтобы справиться с избытком тепла, производимым его громадными внутренностями. 

Завроподы были очень большими, но есть эмпирическое правило: у больших животных метаболизм менее интенсивный, чем у мелких, поэтому они не такие горячие. Чтобы согреться на солнце, такому динозавру нужно было очень много времени — но и остывать ему тоже приходилось очень долго, поэтому очень большой динозавр, однажды разогревшись, дальше мог поддерживать такую температуру просто благодаря своим размерам. 

Впрочем, достижение динозавров все равно спасало их, позволяя вырастать такими огромными. Так как от их легких, самих по себе объемных, расходилась по всему телу система воздушных мешков, эти животные были не такими массивными, как казались — при своих размерах. Воздушные мешки в костях облегчали и скелет. Скелет динозавров — это подлинный шедевр биологической инженерии: кости облегчены до набора полых несущих стоек при абсолютном минимуме ненесущих частей. 

Но фокус в том, что роль системы воздушных мешков не ограничивалась отведением тепла из легких. Они забирали тепло непосредственно от внутренних органов, так что отпадала необходимость сначала переносить его с током крови в легкие, теряя по пути часть и усложняя тем самым задачу. Наиболее выгодно это было для печени — органа, вырабатывающего очень много тепла, который у крупного динозавра достигал размеров автомобиля. Воздушное охлаждение внутренностей динозавров было более эффективным, чем жидкостная альтернатива млекопитающих. Благодаря этому динозавры смогли достичь гораздо больших размеров, чем млекопитающие, не сварившись при этом заживо. 

Аргентинозавр — один из самых крупных динозавров. Источник: Wikipedia

Так что аргентинозавр в гораздо меньшей степени был громоздким бегемотом, чем легко ступающей четвероногой нелетающей... птицей. Ведь именно птицы — наследники динозавров — обладают таким же облегченным скелетом и особым строением тела, таким же быстрым обменом веществ и такой же системой воздушного охлаждения. И все эти приспособления чрезвычайно полезны для полета — занятия, требующего легкой прочной рамы. 

Полет ассоциируется еще и с перьями. Покрывающее тело оперение было отличительной чертой динозавров почти с самого начала их истории. Поначалу перья были больше похожи на волосы, как и у птерозавров — первой группы позвоночных, освоивших полет в далеком триасе, и близких родственников динозавров. Даже без необходимости летать перья обеспечивают достаточную теплоизоляцию маленькому животному, вырабатывающему много тепла. Проблема, стоявшая перед мелкими активными динозаврами, была противоположна заботившей гигантов — мелким требовалось предотвратить рассеивание добытого дорогой ценой тепла в окружающую среду. Простые перья быстро эволюционировали: у них появились опахало, бородки и окраска. Для таких умных и активных животных, как динозавры, была характерна сложная социальная жизнь, в которой демонстрация играла важную роль. 

Еще одним ключом к успеху динозавров стало откладывание яиц. Несмотря на то что позвоночные, в общем, всегда откладывали яйца — что и позволило первым амниотам завоевать сушу, — многие вернулись к древнему, унаследованному еще от первых челюстноротых способу размножения — живорождению. Это лишь вопрос поиска такой стратегии защиты потомства, которая не окажется слишком обременительной для родителя. Млекопитающие тоже начинали с откладывания яиц. Затем почти все они перешли к живорождению, но заплатили за это огромную цену. Живорождение — крайне энергозатратная стратегия, что накладывает ограничения на предельный размер сухопутных млекопитающих. Кроме того, при живорождении ограничено количество детенышей в помете. 

Динозавры никогда не защищали свое потомство таким образом. Все динозавры откладывали яйца — как и все остальные архозавры. Активные и сообразительные животные, динозавры повышали шансы своего потомства на успех, высиживая кладку в гнезде и заботясь о вылупившихся детенышах. Многие, особенно самые стадные растительноядные, например завроподы и практически сменившие их в мелу гадрозавры, которые были мельче и ходили, по крайней мере, время от времени на двух ногах, устраивали гнезда на общественных гнездовьях, которые могли занимать все видимое пространство от горизонта до горизонта. Самки динозавров, откладывая яйца, тратили кальций из собственных костей, чтобы сформировать скорлупу; эту черту унаследовали и птицы. 

Микрораптор — важное доказательство родства динозавров и птиц. Источник: Wikipedia

В свете преимуществ, которые давало откладывание яиц, такая жертва была вполне оправданной. Яйцо амниот — один из шедевров эволюции. В нем упрятан не только эмбрион, но и полноценная система жизнеобеспечения. Яйцо содержит запас питательных веществ, достаточный для обеспечения зародыша до вылупления, а система удаления отходов все это время предотвращает отравление такой изолированной биосферы. Отложив яйцо, самка оказывалась избавленной от проблем и затрат на обеспечение будущего детеныша, укрытого в ее теле. 

Некоторые динозавры все-таки тратили силы на заботу о своем потомстве после вылупления — но они не были намертво связаны этим обязательством. Некоторые ограничивались закапыванием яиц в теплую нору или навоз. Энергия, которая иначе была бы потрачена на воспроизведение и защиту небольшого числа потомков, могла быть потрачена, например, на откладывание значительно большего количества яиц, чем может выносить живородящее животное. И, конечно, на рост. Росли динозавры быстро. Завроподам требовалось расти так быстро, как это только возможно, чтобы стать неинтересными для хищников. Хищникам приходилось расти в ответ. Например, тираннозавр набирал взрослый вес — 5 тонн — меньше чем за 20 лет, прибавляя в день по два килограмма. Никто из его не таких громадных родственников не рос с такой скоростью. 

Динозавры и их ближайшие родичи потратили миллионы лет, накапливая приспособления к полету: перья, быстрый обмен веществ, эффективное воздушное охлаждение для регулирования температуры тела, легкая конструкция тела и исключительная приверженность откладыванию яиц. Зачастую динозавры пользовались некоторыми из этих адаптаций для совершенно нептичьих задач — например чтобы вырасти до размеров, которых еще — и никогда после — не видала суша. В конце концов динозавры получили разрешение на взлет. Как же они сделали последний шаг и оказались в воздухе? 

Это произошло в юрском периоде, когда в процессе эволюции представители одной из линий и без того некрупных хищников стали еще меньше. Чем мельче они становились, тем гуще становился их перьевой покров — ведь мелким животным с быстрым обменом веществ нужно как-то удерживать тепло. Некоторые из них жили на деревьях — на что не пойдешь, лишь бы улизнуть от своих более крупных собратьев. Некоторые открыли, как пользоваться своими оперенными крыльями, чтобы подольше оставаться в воздухе, — и стали птицами.