По интенсивности обмена веществ мезозойские ящеры занимали промежуточную позицию между холоднокровностью и теплокровностью, благодаря чему они смогли на некоторое время «захватить землю».
Со школы мы помним, что животные делятся на холоднокровных, или эктотермных, и теплокровных, или эндотермных. У холоднокровных температура тела зависит от температуры окружающей среды, к ним относятся рыбы, рептилии и амфибии. Интенсивность обмена веществ у холоднокровных невысока. Теплокровные, наоборот, могут поддерживать постоянную температуру тела независимо от того, тепло ли вокруг или холодно, благодаря более активному метаболизму; к теплокровными относятся птицы и звери.
Мезотермность динозавров может, по крайней мере, отчасти объяснить их эволюционный успех. (Фото Ron Watts / Corbis.)
Эктотермные, мезотермные и эндотермные животные с относительными размерами и скоростью роста. (Иллюстрация John M. Grady / University of New Mexico.)
Динозавры относятся к рептилиям, поэтому было бы логично, если бы они тоже были холоднокровными. Долгое время холоднокровность динозавров ни у кого не вызывала сомнений. Однако самыми близкими родственниками прежних динозавров на сегодняшний день являются птицы, интенсивность обмена веществ у которых чрезвычайно высока. И со временем исследователи всё чаще стали задаваться вопросом, как произошёл такой резкий скачок от холоднокровных динозавров к теплокровным птицам, и не были ли вымершие ящеры отчасти теплокровными.
Чтобы найти ответ, нужно оценить уровень метаболизма у динозавров, но как это сделать, имея на руках лишь древние кости? На самом деле, об интенсивности обмена веществ можно судить по темпам роста животного, а темпы роста можно оценить по строению костей. Похожий метод используют в ботанике, когда по годовым кольцам на спиле ствола определяют, хорошим или не очень был тот или иной год для дерева: если кольцо широкое, значит, условия были благоприятными, и дерево росло быстро. Примерно так же можно оценивать слои костной ткани, и тогда быстрый или медленный рост костей будет свидетельствовать о быстром или медленном метаболизме. С помощью этого метода можно довольно достоверно предсказать скорость обмена веществ у современных животных: например, интенсивность метаболизма у зверей в 10 раз выше, чем у рептилий, и растут млекопитающие в 10 раз быстрее, чем ящерицы, змеи и т. д.
Такой анализ, только ещё и для динозавров, был выполнен Джоном Грейди (John M. Grady ) и его коллегами из Университета Нью-Мексико, результаты работы исследователи опубликовали в Science . Они не просто оценивали рост костей, но и сравнивали его с общим размером тела животного от рождения до зрелого возраста. И вот, когда данные по динозаврам сравнили с данными относительно ныне живущих теплокровных и холоднокровных, оказалось, что вымершие ящеры занимают некую промежуточную позицию, не являясь ни истинно теплокровными, ни истинно холоднокровными.
Такие животные называются мезотермными, и из современных видов к ним относятся, например, большая белая акула, тунец, кожистая черепаха, ехидна. Подобно млекопитающим и птицам, мезотермные животные могут генерировать собственное тепло, но при этом они не могут поддерживать постоянную температуру тела, что сближает их с современными рептилиями. У тунца, например, температура тела заметно снижается, когда он уходит на глубину, но всё она будет равно выше, чем у воды вокруг.
Размеры тела могут влиять на появление мезотермности: крупным животным проще сохранять тепло, и поэтому, например, большая кожистая черепаха может позволить себе быть мезотермной, тогда как более мелкая зелёная черепаха - обычная холоднокровная рептилия. Однако зависимость здесь не 100-процентная: акула мако – мезотермная рыба, а китовая акула, при своих огромных размерах, остаётся холоднокровной.
Чтобы поддержать температуру тела, у теплокровных животных есть набор физиологических механизмов, включающихся при понижении температуры среды, от дрожи до сжигания жировых запасов. У мезотермных таких уловок нет, так что они более зависимы от внешней температуры. С другой стороны, среди холоднокровных животных есть так называемые гигантотермные, которые, благодаря своим размерам, могут накапливать тепло – как это делают крокодилы, греющиеся на солнце. Они и нагреваются, и остывают медленнее, но всё равно решающую роль тут играет среда. У мезотермных животных, в отличие от гигантотермных, всё же есть свои ресурсы, чтобы поддерживать температуру тела в определённых рамках.
Возвращаясь к динозаврам, можно сказать, что мезотермность позволяла им двигаться, расти и размножаться быстрее по сравнению с обычными холоднокровными рептилиями. Это, кстати, могло быть одной из причин невероятного эволюционного успеха динозавров во времена мезозойской эры. С другой стороны, их уровень метаболизма был всё-таки ниже, чем если бы они были теплокровными, что позволяло многим из них достигать гигантских размеров. То есть, например, если бы тираннозавр был теплокровным, он бы просто не смог обеспечивать себя нужным количеством энергии и оставаться хищником.
Одновременно авторы работы подчёркивают, что динозавры – группа очень разнообразная, и, скорее всего, далеко не все из них были мезотермными. Другая трудность связана с тем, что относительно некоторых вымерших видов трудно сказать, были ли они мезотермными или просто не очень активными теплокровными. Например, если взять археоптерикса, одного из самых известных кандидатов на роль предка птиц, то он достигал зрелости через два года, тогда как сходные с ним по размеру ястребы вырастают во взрослых птиц за шесть недель. Вероятно, археоптерикс был не таким уж теплокровным, как его потомки. Вообще же происхождение теплокровности у птиц и зверей до сих пор остаётся одной из самых больших эволюционных загадок, и авторы работы надеются, что их результаты смогут эту тайну хоть немного прояснить.
Современные млекопитающие и птицы относятся к теплокровным животным, рыбы, рептилии и амфибии - к холоднокровным. А динозавры, как выясняется, были промежуточным вариантом.
Способны ли были динозавры поддерживать температуру тела постоянной, как сегодняшние млекопитающие и птицы, или же она менялась в широких пределах в зависимости от температуры окружающей среды, как у современных рыб, земноводных и пресмыкающихся? Этот вопрос занимает ученых-палеонтологов уже не один десяток лет. Долгое время жаркие споры на тему о том, были динозавры эндотермными или эктотерными животными, носили схоластический характер, поскольку шансов на окончательное разрешение вопроса не предвиделось.
Американский биолог Джон Грейди (John Grady) из университета Нью-Мексико в Альбукерке, говорит: «Одна из главных причин отсутствия достоверных результатов в этом вопросе состоит в том, что до сих пор не существовало методики, позволяющей оценивать теплокровность вымерших видов животных. Как правило, исследователи изучали структуру костей и решали, к каким современным видам это древнее животное ближе - к теплокровным млекопитающим или к холоднокровным пресмыкающимся. Изредка такое сравнение имело смысл, но чаще оно оказывалось бесплодным - как и вся эта дискуссия».
Главное различие - в скорости метаболизма
Между тем, эндотермные животные отличаются от эктотермных, прежде всего, тем, что у первых обмен веществ протекает в 20-30 раз быстрее - только это и позволяет теплокровным производить из потребляемой ими пищи достаточное количество энергии для поддержания температуры тела на постоянном уровне. Поэтому Джон Грейди задался вопросом, нельзя ли по окаменелым фрагментам костей оценить скорость метаболизма. Исследователь рассказывает: «Я решил сделать вот что: в последние годы было опубликовано немало работ, в которых оценивалась скорость роста динозавров, и мне пришло в голову, что на основе этих данных можно определить уровень расхода энергии. А зная, сколько энергии требовалось динозаврам для жизнедеятельности, можно оценить, и сколько тепла они вырабатывали».
Дело в том, что на срезе костей динозавров видны годичные кольца - точно так же, как на срезе древесного ствола. Это дает возможность с высокой точностью определять возраст животного. Размеры, форма и структура костей позволяют оценивать массу животного и скорость его роста, а на этой основе не составляет большого труда рассчитать потребность в энергии и скорость обмена веществ.
Скорость роста - удачный индикатор
Именно это Джон Грейди и проделал в отношении почти 400 представителей самых разных видов, как ныне живущих, так и вымерших - птиц, рептилий, рыб, млекопитающих и динозавров. Внимания исследователя удостоились и синие киты, и белоногие хомячки, и молотоголовые акулы, и комодские вараны. Соответствующая статья опубликована в журнале Science. «При этом оказалось, что скорость роста и в самом деле является очень удачным индикатором для оценки уровня обмена веществ, - говорит исследователь. - Применительно к динозаврам эта методика дала результаты, лежащие ровно посередине между скоростями метаболизма у эндотермных и у эктотермных животных».
Джон Грейди применил свою методику к 21 виду динозавров. Среди них были и растительноядные зауроподы вроде апатозавра, и хищные тероподы вроде тираннозавра. Но во всех случаях расчеты ученого дали практически идентичные результаты. Из них следовало, что динозавры не были в полной мере теплокровными животными наподобие нынешних млекопитающих или птиц, но не были они и совсем уж холоднокровными наподобие современных ящериц и змей. Судя по всему, для динозавров был характерен некий промежуточный уровень метаболизма.
Инерциальная эндотермия крокодилов
Вообще-то провести четкую границу между эктотермией и эндотермией бывает нелегко и у современных животных. Науке известна, например, так называемая инерциальная эндотермия, при которой значительная степень теплокровности достигается за счет крупного размера животного: в условиях ровного и теплого климата оно накапливает тепло днем и просто не успевает за ночь охладиться. Типичным примером тут могут послужить крокодилы: днем они постоянно греются на солнце (это специфическое поведение именуется баскингом), и это позволяет им довольно длительное время, почти постоянно, поддерживать более высокую температуру тела, чем температура окружающей среды. Важно, однако, что тепло при этом поступает лишь извне, без участия собственного метаболизма.
Акулы, кожистые черепахи и… динозавры
Иное дело - тунцы и белые акулы: во время активного плавания температура их тела может превышать температуру воды на десять и более градусов, причем этот эффект достигается за счет собственного обмена веществ и особенностей кровеносной системы. Сходный механизм присущ также кожистым черепахам. Есть и млекопитающее животное, температура тела которого может отклоняться от среднего значения на 10 градусов в обе стороны, - это ехидна.
Джон Грейди полагает, что примерно так же регулировалась температура тела и у динозавров, и даже предложил для этого промежуточного типа метаболизма свое название: «Мы образовали новое слово - мезотермия, от древнегреческого μέσος (средний) и θέρμη (тепло). Кстати, такая промежуточная разновидность метаболизма была, судя по всему, оптимальной для динозавров в условиях того климата, который царил тогда - в мезозойскую эру - на нашей планете».
Динозавры - слишком неоднородная группа
Впрочем, много вопросов, касающихся механизмов терморегуляции динозавров, по-прежнему остаются без ответа. Джон Грейди изучал динозавров, обитавших в средних и тропических широтах, а как обстояло дело с теми, кто жил в полярных регионах с весьма прохладной зимой? Кроме того, динозавры доминировали на нашей планете на протяжении 185 миллионов лет, то есть стегозавра отделяет от тираннозавра больший период времени, чем тираннозавра от нас. К тому же динозавры - крайне неоднородная группа: одни плавали, другие ползали, третьи ходили или бегали, четвертые летали; одни питались растениями, другие падалью, третьи охотились; одни были гигантами, другие карликами; одни вели дневной, другие ночной образ жизни; разными были и их кожные покровы.
Едва ли всем этим столь непохожим друг на друга животным на протяжении десятков миллионов лет был свойственен один и тот же тип метаболизма.
Результаты нового исследования показали: динозавры не были ни хладнокровными существами, как ящерицы, ни теплокровными, как млекопитающие.
Дискуссия о том, были ли древние ящеры эктотермами (использующими окружающую среду для настройки своей внутренней температуры) или же эндотермами (регулирующими температуру своего тела изнутри), продолжается уже много десятилетий. Известно, что теплокровные животные нуждаются в более плотном питании, обладают большей энергией и подвижностью, их мозг работает интенсивнее. Хладнокровные животные лишены этих преимуществ, зато они более экономно тратят энергию и поэтому не нуждаются в частых приёмах пищи.
Однако биолог Джон Грейди (John Grady) из университета Нью-Мексико в Альбукерке нашёл доказательства того, что обе версии могут быть ошибочны.
Расход энергии у динозавров и других позвоночных по шкале от холоднокровных до теплокровных (иллюстрация John Grady).
Он сделал вывод, что динозавры, как тунец, кожистые черепахи, австралийские ехидны и большие белые акулы, относились к мезотермам − организмам, предпочитающим умеренные температурные условия. Такие существа могут контролировать тепло своего тела: мезотермы сжигают энергию, но не имеют постоянной температуры тела, как млекопитающие или птицы.
Изучение современных мезотермов может помочь понять, как именно динозавры осуществляли терморегуляцию много миллионов лет назад. Например, температура тела тунца обычно превышает температуру окружающей его воды на несколько градусов, но ситуация меняется, когда рыбам приходится нырять вглубь холодных вод. То есть скорость метаболизма у таких существ может изменяться.
Чтобы понять, где в метаболическом спектре располагаются динозавры, Грейди и его коллеги собрали базу данных о темпе роста 381 вида животных, в том числе 21 динозавра. Благодаря данным множества предыдущих исследований, учёным удалось оценить темп роста по ряду направлений.
Скелеты динозавров были проанализированы с помощью таких методов, как подсчёт количества годовых колец окаменелой кости (так можно оценить возраст индивида), измерение длины костей и оценка общей массы.
Темпы роста изученных животных варьировались - от медленно растущих крокодилов до достаточно быстро достигающих зрелости лошадей.
Затем группа Грейди сравнила то, как быстро растёт каждое животное с тем, сколько энергии оно тратит. Как оказалось, млекопитающие, растущие в 10 раз быстрее, чем рептилии, также имеют и скорость метаболизма в 10 раз выше.
Исследователи использовали эту информацию для понимания метаболических показателей динозавров. В конечном итоге учёные пришли к выводу, что на метаболической шкале динозавры оказались где-то посередине, то есть были мезотермами.
По словам Грейди, способность находиться на грани мира теплокровных и хладнокровных, возможно, дала динозаврам экологическое преимущество. Они были в состоянии передвигаться по местности быстрее крокодилов, но при этом потреблять меньше пищи, чем аналогичное по размеру млекопитающее.
"Тот факт, что динозавры доминировали в экосистеме около 130 миллионов лет, говорит о том, что у них были какие-то выгодные отличия", - считает учёный.
Правда, здесь возникает противоречие: в настоящее время существует всего восемь видов животных-мезотермов, так что, возможно, в чём-то такая стратегия оказалась недостаточно выгодной.
Быстрый метаболизм млекопитающих и птиц, вероятно, развивался в течение миллионов лет, в основном после того, как не стало мезотермов-динозавров. Многие современные птицы развиваются до взрослой особи в течение нескольких первых недель жизни, однако самые ранние ископаемые птицы (вроде археоптерикса), по-видимому, росли гораздо медленнее.
Грейди планирует подтвердить свои выводы, изучая окаменелости динозавров из полярных регионов, таких как Аляска. Он надеется сравнить показатели изотопов в костях, которые, как считают некоторые учёные, помогают определить температуру тела животного. Эта информация поможет команде Грейди понять, сколько энергии сжигал каждый конкретный вид динозавров.
Нынешняя научная статья палеонтологов была опубликована в журнале Science.
Динозавры не были ни теплокровными, как современные млекопитающие и птицы, ни хладнокровными, как рептилии или амфибии. Исследования американских ученых, опубликованные 13 июня в журнале Science, свидетельствуют о том, в организмах этих древних ящеров сочетались оба данных принципа обогрева тела.
Палеонтологи и биологи из университетов штатов Нью-Мексико и Аризона утверждают, что динозавров, населявших Землю миллионы лет назад, следует относить к особой категории живых существ, которую они называют мезотермической, то есть средней между теплокровными и хладнокровными.
Исследователи отмечают, что существа, которые обладают способностью сохранять постоянную температуру тела, отличаются повышенным метаболизмом. Они быстрее двигаются, тратят больше энергии и нуждаются в большем количестве пищи. К таким существам относятся все млекопитающие и птицы. Температура тела хладнокровных животных меняется в зависимости от температуры окружающей среды. Им требуется меньше еды, так как они более экономно тратят энергию, однако, при этом, их отличает и меньшая активность. В данную категорию входят, в частности, рептилии, амфибии и рыбы.
Как отмечают биологи, обе эти группы отличаются разными темпами роста: теплокровные увеличиваются в размерах быстрее, а хладнокровные - медленнее. "Если повысить метаболизм в два раза, то ровно в два раза увеличится и скорость роста", - подчеркнул ученый из Университета Нью-Мексико Джон Грейди.
Установить, как быстро росло животное, по словам авторов исследования, можно, изучив его кости, на которых образуются своего рода "годичные кольца" - примерно такие же, как в стволах деревьев. Ученые проанализировали структуру костей 381 вида животных, среди них - 21 вида динозавров, в частности, тиранозавров, аллозавров и троодонов, и пришли к выводу, что темпы роста древних ящеров были средними - более высокими, чем у хладнокровных, но более низкими, чем у теплокровных.
"Наши результаты показывают, что метаболизм динозавров был таким, какой не характерен ни для теплокровных, ни для хладнокровных организмов. Они функционировали не так, как млекопитающие или птицы, и не так как рептилии и рыбы", - подчеркнул эволюционный биолог из Университета штата Аризона Брайан Энквист.
Как утверждают ученые, динозавры частично обогревали свои тела самостоятельно, как теплокровные, а частично полагались на окружающую среду - подобно хладнокровным. По словам исследователей, животные, которые используют данную стратегию, есть и среди современных обитателей Земли. К этой категории они относят некоторые виды акул, тунца, кожистую черепаху, а также утконоса и ехидну. "Температура тела тунца, к примеру, снижается, когда он погружается глубже под воду, однако она всегда теплее окружающей среды", - пояснил Грейди.
«Отделять то, что мы обычно считаем «динозаврами», от птиц в статистическом анализе будет нецелесообразным, поскольку птицы являются динозаврами - это просто динозавры, которые не вымерли», - сообщил Д’Эмик в заявлении.
Когда ученый удвоил темпы роста динозавров и добавил к расчетам птиц, динозавры по своим темпам роста стали больше похожи на теплокровных млекопитающих.
Переворот
«Мы хотели бы четко заявить, что не согласны с его центральной критикой, и мы подчеркиваем приверженность всем нашим оригинальным выводам», - заявил Джон Грейди, ведущий исследователь оригинальной работы, докторант Университета Нью-Мексико. По мнению Грейди, аргументы Д’Эмика противоречивы. Многие животные растут сезонно, и поэтому темпы роста всех позвоночных в исследовании, а не только динозавров, должны быть удвоены. В этом случае относительные различия сохраняются и динозавры по-прежнему попадают в промежуток между эндотермами и эктотермами, говорит Грейди.
Кроме того, в изначальном исследовании ученые не сгруппировали птиц с нелетающими динозаврами и археоптериксами (переходным видом между динозаврами и птицами) вследствие существенных различий между ними.
«Свидетельства роста довольно прозрачны, - говорит Грейди. - Динозавры не обладали таким бешеным метаболизмом, как их живые пернатые родственники».
Экспертное мнение
Что касается других ученых, то они весьма благосклонно относятся к новым выводам о теплокровности гигантских ящеров. Исследователи отмечают, что темпы роста динозавров могут быть не такими последовательными, как у других животных, и было бы справедливо соотнести птиц с динозаврами. Но для расстановки окончательных точек в вопросах терморегуляции необходимо больше доказательств, говорят эксперты.
С одной стороны, оба исследования опираются на один набор данных, включающий кости нескольких десятков динозавров почти 21 вида. (В целом известно больше 700 видов динозавров). Этот набор данных также включает весь мезозой, период времени, охватывающий более 180 миллионов лет.
«Когда вы говорите «динозавры мезозоя», вы говорите об огромном массиве животных, живших на протяжении огромного времени», - говорит Кеннет Лаковара, профессор палеонтологии и геологии в Университете Дрекселя в Филадельфии; он не принимал участия в этих исследованиях. Возможно, некоторые динозавры были теплокровными, а другие - мезотермами, но необходимы анализы кладистических групп (видов, которые разделяют общего предка), сред обитания и периодов времени, чтобы выделить разные метаболизмы и темпы роста, говорит Лаковара.
Кроме того, ученым нужно больше исследований на тему хладно- или теплокровности динозавров, прежде чем они смогут сделать уверенный выбор в пользу одного из трех видов активности.
«Есть много других признаков того, что нелетающие динозавры вели очень активную и энергичную жизнь, сопоставимую с жизнью птиц и млекопитающих, - говорит Лаковара. К примеру, некоторые исследования анатомии предполагают, что они быстро бегали, а другие оставляли тропинки во время миграции, подобно многим млекопитающим. - Я думаю, новый анализ — это шаг в правильном направлении. Нужно больше нюансов и больше данных».
