Динозавры холоднокровные. Динозавры могли быть теплокровными
Дискуссия о том, были ли динозавры теплокровными или холоднокровными животными продолжается уже не одно десятилетие. С одной стороны, все современные рептилии – и ящерицы, и крокодилы – холоднокровные. С другой - птицы, родственники или даже потомки динозавров – теплокровны. Когда ученые, еще в 19 веке, поняли, что динозавры – рептилии, их, естественно, стали считать холоднокровными, но по мере накопления информации уверенности в этом становилось все меньше и меньше.
Многие мелкие динозавры, например, различные дромеозавры, были покрыты перьями, а ведь перьевой покров, обеспечивающий теплоизоляцию, холоднокровному животному, получающему энергию извне, не нужен и даже вреден. Динозавры существовали в Антарктиде, которая в меловом периоде уже находилась недалеко от своего нынешнего местоположения. Хотя ледников и особых холодов там не было, но длительные полярные ночи были и во время этих темных периодов температура воздуха падала довольно сильно. Для теплокровного животного пережить такой период не проблема, а вот что делать холоднокровному, тем более очень крупному? Дыхательная система динозавров, в том числе довольно крупных, судя по всему очень походила на дыхательную систему птиц – животных теплокровных. Все эти факты заставили многих палеонтологов пересмотреть устоявшуюся точку зрения и признать динозавров теплокровными.
Многие ученые стали сторонниками "промежуточной" теории, согласно которой маленькие динозавры, обладавшие перьевым покровом и наиболее близкие по своему строению к птицам были по-настоящему теплокровными, а динозавры – гиганты обладали "инерциальной гомойотермией", то есть поддерживали постоянную температуру тела за счет своих огромных размеров, то есть, грубо говоря, они не успевали остыть из-за своей большой массы. Но и эта гипотеза не могла объяснить всех наблюдавшихся фактов и дискуссии на эту тему не угасли.
Ответить на вопрос о температуре тела динозавров решили специалисты из США и Великобритании. Палеонтолог Герман Понтцер (Herman Pontzer) из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, США (Washington University, St. Louis, Missouri) и его коллеги из Королевского ветеринарного колледжа Великобритании (The Royal Veterinary College, London) исследовали на предмет теплокровности 13 видов динозавров самого разного размера и веса – от крошечного, размером с ворону, археоптерикса до гигантского тираннозавра. В список исследователей вошли Archaeopteryx, Marasuchus, Microraptor, Compsognathus, Lesothosaurus, Heterodontosaurus, Coelophysis, Velociraptor, Gorgosaurus, Dilophosaurus, Plateosaurus, Allosaurus, Tyrannosaurus. Всех их объединяет способ передвижения – они ходили на двух ногах. Но в остальном это были очень разные динозавры. Это и травоядные представители отряда орнитихий (Ornithischia) – гетеродонтозавр и лесотозавр, и относящиеся к отряду заурихий (Saurischia) прозауроподы (платеозавр) и тероподы (велоцираптор, тираннозавр и другие). В список попал даже триасовый маразух, которого палеонтологи считают одним из самых ранних динозавров.
Исследователи обратили внимание на то, что современные теплокровные животные способны гораздо более интенсивно расходовать энергию, чем холоднокровные. Существует специальный параметр – так называемая аэробная способность VO2-max характеризующая способность организма перекачивать и использовать определенный объем кислорода при физической работе. Это своего рода «энергетическая цена» активности животного.
Для оценки энергозатрат динозавров исследователи применили две методики. Первая, простая, заключается в том, что энергозатраты связаны с длинной ноги животного. По расстоянию от тазобедренного сустава до земли можно, с некоторой погрешностью, судить о степени активности и, следовательно, о теплокровности живого существа. Для многих современных животных такая методика дает очень точные результаты.
Вторая методика более сложная. Она заключается в расчете объема мышц животного и уже через него – параметра VO2-max. Для современных животных эта методика дает более точные результаты, но, к сожалению, объем мышц динозавров неизвестен, его можно лишь рассчитать, и то довольно приблизительно. Но исследователи справились с этой задачей и на основе имеющихся скелетов динозавров создали модели их мышечной массы.
Результаты расчетов по обеим методикам дали не совсем идентичные, но в целом довольно близкие результаты. И оба метода показали, что энергетические затраты динозавров, особенно крупных, соответствовали энергозатратам теплокровных, а не холоднокровных животных. То есть, для того, чтобы идти или бежать и велоцирапторы и, тем более, тираннозавры должны были иметь постоянную температуру тела.
Применявшиеся методики дали примерно одинаковые результаты для динозавров из разных отрядов и семейств. Значит, считают исследователи, теплокровность была свойственна вообще всем динозаврам и возникла еще до них, у кого-то из их предков.
Впрочем, Понтцер и его коллеги признают, что вряд ли их исследование сможет поставить точку в спорах о температуре тела динозавров. Расчет мышечной массы базировался на теоретических построениях, мышцы динозавров могли работать несколько иначе, чем у птиц или рептилий – в общем у этой работы довольно много "уязвимых мест", что прекрасно понимают и сами исследователи. Кроме того, не совсем понятно, могла ли "инерциальная гомойотермия" обеспечивать необходимый уровень обеспечения энергией или, все-таки, для активной жизни тем же тираннозаврам была необходима "настоящая" теплокровность.
"Аммонит.ру"
На иллюстрации показана схема мускулатуры ноги тираннозавра и длина его конечности.
Иллюстрация из статьи в PLoS ONE.
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».
Оценка интенсивности метаболизма у вымерших животных позволила установить, что двуногие динозавры массой более 20 кг, скорее всего, были теплокровными, а сама эндотермичность (гомойотермия, теплокровность) -- важным эволюционным направлением.
Герман Понтцер (Herman Pontzer) из университета имени Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе (Washington University in St.-Louis), а также Вивиан Аллен (Vivian Allen) и Джон Хатчинсон (John Hutchinson) из Королевского ветеринарного колледжа (Royal Veterinary College) провели исследование, в котором опробовали сравнительно простую методику оценки скорости метаболизма у ископаемых ящеров. Ученые заявляют, что двуногие динозавры массой 20 кг и более были теплокровными. Впрочем, до окончательной ясности по поводу метаболизма у динозавров пока довольно далеко.
Холодно-горячо
Согласно современной классификации динозавры относятся к классу пресмыкающихся. А все пресмыкающиеся -- холоднокровные животные. «Белые вороны» на этом фоне -- крокодилы. Температура тела представителей этого отряда в течение суток меняется всего на один-два градуса, что достигается за счет больших размеров и особенностей строения: панцирь и кости под ним выступают в роли аккумуляторов тепла, медленно нагреваясь и столь же медленно охлаждаясь. Такое явление называется инерциальной гомойотермией -- в отличие от истинной, когда уровень метаболизма позволяет поддерживать температуру постоянной независимо от внешних условий. Понятно, что для поддержания постоянной температуры тела нужно больше еды. Зато и активность при этом не страдает от внезапных холодов.
Изначально динозавров сразу записали в холоднокровные. Однако с 60-х годов ХХ века эта запись становится все менее очевидной. Ряд открытий, например обнаружение останков динозавров в Австралии, приполярном холодном районе во времена их обитания, и наличие перьев как возможной термоизоляционной «одежды», позволили предположить, что как минимум часть динозавров была теплокровной. Последующие открытия, такие как возможное четырехкамерное сердце, только укрепили ученых в этой догадке. Сейчас многие палеонтологи и палеобиологи спорят порой не о самой теплокровности динозавров, а о том, кто именно из них обладал постоянной температурой тела, а кто нет.
На двух ногах
В своей работе ученые решили опираться на энергозатраты животных. У современных млекопитающих и птиц на единицу массы они существенно выше, чем у рептилий и беспозвоночных. Впрочем, напрямую измерить эту величину, мягко говоря, непросто. От динозавров остались только кости, причем даже целых скелетов относительно мало. Так что пришлось идти другим путем -- моделированием. Исходя из размеров костей и массы животных исследователи определяли расположение и объем двигательных мышц, а дальше считали, сколько кислорода необходимо для перемещения с различными скоростями. Для своего рассмотрения ученые взяли 14 родов, относящихся к подотряду тероподов (Theropoda) -- двуногих ящеров, из которых впоследствии развились птицы. Именно двуногие шустрые хищники представляют в данной области интерес; гигантские четырехногие травоядные животные не отличались расторопностью ввиду неподвижного характера их «добычи», и особо активный метаболизм им был не нужен.
Оказалось, что пять крупнейших представителей из модельной выборки, включая тираннозавров, требуют намного больше кислорода, чем может обеспечить метаболизм хладнокровных, даже при ходьбе. А при быстром беге много кислорода требуется даже тем динозаврам, что весят всего 20 кг. Кстати, по оценкам ученых, тираннозавру, бегущему со скоростью 5 м/с, требуется почти 6 л газообразного кислорода в секунду.
Наложив полученные данные на генетическую родословную, ученые пришли к выводу, что эндотермичность свойство более поздних ящеров. Это неудивительно, поскольку современные птицы считаются потомками тераподов, а у пернатых горячая кровь и четырехкамерное сердце -- в общем, как раз идеал для динозавров.
Рост температуры при развитии
Достаточно интересное свидетельство того, что крупные динозавры были инерционными эндотермиками, получили в 2006 году Джеймс Гиллули, Эндрю Аллен и Эрик Чарнов, которые изучали, как росли кости крупных динозавров. Подобно годовым кольцам деревьев, которые могут рассказать, в каких условиях растение росло, развитие костей также зависит от массы их обладателей. Оказалось, что рост костей больших ящеров был неравномерен. Если в начале жизненного пути температура тела крупных динозавров составляла 25°С, то по мере достижения массы в несколько сот килограммов она серьезно вырастала и достигала у самых крупных экземпляров 35°С. То есть по мере увеличения размеров возникает способность удерживать тепло. А вот маленькие динозавры температуру тела не увеличивали. Впрочем, отдельные энтузиасты уверены, что было у динозавров и истинное теплокровие -- ведь инерционное не позволяет проводить длительное время в прохладных условиях, а ареал обитания ряда гигантов далек от курортов.
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.
