Cамый быстрый метаболизм был у ящеротазовых динозавров и птерозавров
И если в середине прошлого века их считали в основном медлительными «наземными крокодилами», то по современным представлениям многие из этих вымерших рептилий больше напоминали птиц, чем ящериц. Например, надежно установлено, что некоторые из них могли похвастаться красочным оперением и что некоторые виды проявляли заботу о потомстве. Судя по результатам недавней статьи, еще одна черта сближает «ужасных ящеров» и современных пернатых — высокий уровень обмена веществ и, следовательно, эндотермия, то есть теплокровность. Проанализировав при помощи спектроскопии химический состав костей нескольких родов вымерших рептилий и сравнив их с показателями современных животных, ученые обнаружили, что теплокровными были не только ближайшие родственники птиц, но даже гигантские длинношеие зауроподы и сам «король динозавров» — тираннозавр рекс.
Раньше одним из главных возражений против того, что динозавры могли жить в полярных регионах, была неспособность поддерживать постоянную температуру тела. Но что если для «ужасных ящеров» теплокровность была столь же обыденным делом, как для птиц? По крайней мере, сейчас уже накопилось достаточно аргументов именно в пользу этой версии.
Рисунок © Джон Сиббик (John Sibbick) с сайта archosaurmusings.wordpress.com
В последние годы наши представления о динозаврах постоянно меняются в соответствии с новыми научными открытиями. Если еще в 40–50-х годах прошлого века о динозаврах писали как о «довольно вялых» существах, напоминающих в этом отношении современных холоднокровных рептилий (см., например, E. H. Colbert, 1951. The dinosaur book), то в конце 1960-х начался так называемый «ренессанс динозавров» (Dinosaur renaissance), буквально перевернувший наши представления об этих животных. Если раньше динозавры считались, в определенной степени, воплощением бессмысленного консерватизма и эволюционной неприспособленности, то после описания птицеподобного дейнониха (Deinonychus antirrhopus, см. J. H. Ostrem, 1969. Osteology of Deinonychus antirrhopus, an unusual theropod from the Lower Cretaceous of Montana) зазвучали голоса в пользу того, что динозавры были активными и хорошо адаптирующимися животными, которые не исчезли бесследно в горниле массового вымирания в конце мелового периода, но стали предками современных птиц.
Тут стоит заметить, что теория о родстве динозавров с птицами возникла еще в середине XIX века: в 1876 году Томас Гексли, ревностный сторонник эволюционной теории, отметил сходство между найденным в немецких песчаниках птицеподобным археоптериксом и мелким динозавром компсогнатом. Тем не менее в начале XX века, с выходом ставшей легендарной книги Герхарда Хайльмана (Gerhard Heilmann) «Происхождение птиц» (The Origin of Birds; подробнее об этом человеке и его труде вы можете прочитать в картинке дня Герхард Хайльман и происхождение птиц), «динозавровая теория» была на долгие годы отодвинута на задворки научного мира. Лишь в 1960-х годах о связи между динозаврами и птицами заговорили вновь, а в 1990-х, с открытием оперенных динозавров из Китая (P. C. Sereno, R. Chenggang, 1992. Early Evolution of Avian Flight and Perching: New Evidence from the Lower Cretaceous of China), разрыв между «птицеподобными динозаврами» и «ящероподобными птицами» начал неумолимо сужаться, пока не исчез совсем (Z. Zhou, F. Zhang, 2002. A long-tailed, seed-eating bird from the Early Cretaceous of China).
Если раньше динозавров представляли медлительными великанами, похожими на варанов и игуан, то теперь мы все чаще думаем о них как об активных животных, не уступающих в этом отношении млекопитающим. Слева — рисунок Зденека Буриана (1938 год; изображение с сайта artstation.com), справа — работа современного художника Пола Боннера
Изображение с сайта zen.yandex.ru
Особенно жаркие споры велись вокруг уровня метаболизма динозавров, то есть вопроса, были ли они холоднокровными, как современные рептилии, или скорее напоминали в этом отношении птиц, у которых температура тела всегда выше температуры окружающей среды (см. задачу «Тепло- или холодно-?»). У каждой из точек зрения были свои сторонники и противники. Одни указывали в качестве доказательства высокую скорость передвижения динозавров и быстрые темпы их роста, другие напирали на невыгодность теплокровности в условиях мезозойского климата и скудости высокопитательных кормов. Высказывалось также мнение, что для крупных динозавров были характерны инерциальная теплокровность, при которой высокая температура тела поддерживается за счет его крупных размеров (Крупные динозавры были почти теплокровными, «Элементы», 29.08.2006), или мезотермия, некий промежуточный вариант между истинной теплокровностью и холоднокровностью (J. M. Grady et al., 2014. Evidence for mesothermy in dinosaurs). С открытием большого количества оперенных динозавров доминирующая точка мнения сместилась в пользу теплокровности, ведь наружные изолирующие покровы только мешают солнечному теплу достигать пронизанной кровеносными сосудами кожи, а значит, динозавры с перьями должны были быть теплокровными.
Пока что доля окаменелостей динозавров с отпечатками оперения невелика, и, глядя на трехрогих трицератопсов, длинношеих диплодоков и причудливых стегозавров, палеонтологи не могут не мучиться вопросом, какой уровень обмена веществ был характерен для них. Пару лет назад была опубликована статья, в которой приводились результаты химического анализа скорлупы динозавровых яиц (R. R. Dawson et al., 2020. Eggshell geochemistry reveals ancestral metabolic thermoregulation in Dinosauria). По содержанию в ней изотопов кислорода 18O и углерода 13C ученые смогли определить температуру, при которой скорлупа формировалась в теле самки, у динозавров из провинции Альберта в Канаде, обитавших на палеошироте ~55 с. ш. Оказалось, что не только у мелких птицеподобных динозавров вроде троодона (Troodon), но и у довольно крупных, таких как трехтонная майазавра (Maiasaura), скорлупа формировалась при довольной высокой температуре около 40 градусов Цельсия, что сопоставимо с температурой тела современных кур и гусей. Похожим образом — по изотопному составу костей, — была определена температура тела и некоторых длинношеих зауропод, живших в тропических регионах планеты, — она тоже оказалась довольно высокой (Анализ зубной эмали динозавров показал, что температура их тела была как у современных млекопитающих, «Элементы», 26.09.2011).
Источник: Jasmina Wiemann, Iris Menéndez, Jason M. Crawford, Matteo Fabbri, Jacques A. Gauthier, Pincelli M. Hull, Mark A. Norell & Derek E. G. Briggs. Fossil biomolecules reveal an avian metabolism in the ancestral dinosaur // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04770-6.
Хотя о проявлении родительского поведения у майазавры было известно еще с 1970-х годов, лишь недавно стало понятно, что заботливые родительницы теоретически могли высидеть свои яйца — если бы, конечно, не были столь велики.
Рисунок © Davide Bonadonna из статьи M. Romano, J. Farlow, 2018. Bacteria meet the «titans»: horizontal transfer of symbiotic microbiota as a possible driving factor of sociality in dinosaurs
Впрочем, яичная скорлупа — не такая уж часто встречающаяся окаменелость, поэтому в новом исследовании ученые решили изучить химический состав самих окаменевших костей. Они использовали рамановскую и инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье для количественной оценки прижизненного накопления конечных продуктов перекисного окисления липидов (advanced lipoxidation end-products, ALE). Эти устойчивые продукты обмена образуются за счет окисления липидов активными формами кислорода, а последние, в свою очередь, возникают в результате экзотермических процессов, в ходе которого выделяется большое количество тепловой энергии. Иными словами, чем больше ALE накопилось в костях, тем активнее выделялось тепло в организме животного при жизни (по крайней мере, в последний час перед смертью) и тем увереннее можно говорить о его теплокровности. ALE весьма устойчивы и хорошо сохраняются в ископаемом состоянии, поэтому с их помощью можно оценить уровень обмена веществ и у современного воробья, и у ископаемого тираннозавра.
Выборка у исследователей получилась внушительная: они проанализировали содержание ALE в бедренных костях 55 таксонов, включающих динозавров, летающих птерозавров, морских плезиозавров и современных ящериц, млекопитающих и птиц. Сравнивая количество ALE в костях вымерших животных с современными теплокровными и холоднокровными видами, ученые смогли установить, насколько быстрым был обмен веществ у ископаемых рептилий. Оказалось, что распределение скоростей метаболизма среди динозавров было неоднородным. Если у крупных птицетазовых видов, таких как трицератопс и стегозавр, скорость обмена веществ была низкой (примерно как у нынешних игуан), то у их более мелких родственников — например, пахицефалозавра и нодозавра — температура тела была высокой, сравнимой с показателями современных млекопитающих. Что касается ящеротазовых динозавров, приходящихся близкой родней птицам, то среди них все изученные виды были теплокровными или даже «горячекровными»: у некоторых теропод, в том числе знаменитого тираннозавра, уровень метаболизма был даже выше, чем у многих млекопитающих, и приближался к показателям птиц.
Образец ископаемой ткани аллозавра, исследованный на предмет содержания ALE в окаменевшей кости. Темные разветвленные структуры внизу — это окаменевшие остеоциты, а трубчатая структура в центре — кровеносный сосуд.
Фото © Jasmine Wiemann с сайта scitechdaily.com
Воспользовавшись полученными данными, ученые построили филогенетическое древо, на котором отразили изученные таксоны и установленный для них уровень обмена веществ. Если бы среди динозавров наблюдались лишь отдельные теплокровные виды в общем «холодном море» — тогда можно было бы сказать, что общий предок «ужасных ящеров» был типичной рептилией с низким уровнем обмена веществ. Однако ситуация вышла ровно противоположной: большая часть динозавров была теплокровной, как современные млекопитающие, у которых, скорее всего, теплокровным был последний общий предок. Выходит, это утверждение справедливо и для динозавров? Скорее всего, так — и, в свете недавнего исследования, посвященного наличию перьев у птерозавров (У птерозавров все-таки были перья, но не для полета, а для красоты, «Элементы», 26.04.2022), первый динозавр должен был быть шустрым теплокровным ящером, покрытым примитивным оперением и скорее напоминающим длиннохвостого цыпленка.
Помимо динозавров, теплокровными также оказались и некоторые другие вымершие рептилии — птерозавры и плезиозавры. Эти данные удачно вписались в уже известные нам сведения о морских и летающих ящерах — в 2010 году было опубликована статья, приводящая доказательства в пользу теплокровности плезиозавров и ихтиозавров (Ихтиозавры и плезиозавры, по-видимому, были теплокровными, «Элементы», 16.06.2010), тогда как давно известные внешние покровы птерозавров и их активный полет не оставляли сомнений в наличии у них высокого уровня обмена веществ (A. W. A. Kellner et al., 2010. The soft tissue of Jeholopterus (Pterosauria, Anurognathidae, Batrachognathinae) and the structure of the pterosaur wing membrane).
Установленный на основе изучения количества ALE в костях уровень обмена веществ современных и вымерших животных. Обратите внимание на ящериц: хотя обычно мы считаем всех современных рептилий холоднокровными, современные вараны отличаются высоким уровнем обмена веществ.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Подводя итоги, можно сказать, что новое исследование не только раскрывает тайны образа жизни давно вымерших рептилий, но и позволяет лучше понять, по каким законам существует окружающий нас мир. Одной из причин выживания птиц во время массового мел-палеогенового вымирания считалась их теплокровность (E. L. Rezende et al., 2020. Shrinking dinosaurs and the evolution of endothermy in birds), но теперь мы знаем, что высокий уровень обмена веществ был характерен для многих динозавров, не только для пернатых. Ученым предстоит снова обратиться к вопросам выживания птиц и млекопитающих в условиях биотического кризиса 66 миллионов лет назад, — ведь сегодня похожий кризис уже настиг современную фауну, и на этот раз разница в уровне метаболизма точно ни при чем.
Напоследок замечу, что метод определения уровня метаболизма по следам ALE является новаторским, поэтому к результатам таких исследований, пусть и очень волнующим, стоит отнестись с определенной долей скептицизма.
Источник: Jasmina Wiemann, Iris Menéndez, Jason M. Crawford, Matteo Fabbri, Jacques A. Gauthier, Pincelli M. Hull, Mark A. Norell & Derek E. G. Briggs. Fossil biomolecules reveal an avian metabolism in the ancestral dinosaur // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04770-6.
Анна Новиковская, Elementy.