Все крупные динозавры были теплокровными. Динозавры были полутеплокровными Скорость роста - удачный индикатор
: динозавры не были ни холоднокровными 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. Холоднокровные животные лишены этих преимуществ, зато они более экономно тратят энергию и поэтому не нуждаются в частых приёмах пищи.
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 .
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.
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.
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.
