Повітряний динозавр Телеполіс
Новіші знання про органи дихання динозаврів, що дозволило високоефективне дихання
У "Острові попереднього дня" Умберто Еко згадав "Мобі Діка": якщо було б правильно і справедливо, щоб Герман Мелвілл включив у роман цілу главу про китів і вміло пояснив цетологію, Еко також хотів розділ про систематику Маючи папуг у власному романі - що він і зробив. Перед самим Новим роком нам, простим смертним, слід дозволити пропонувати читачам главу про динозаврів.
Динозаври завжди захоплювали вчених та широку громадськість. Щороку виявляються нові скам'янілості, додаючи додаткові шматочки загадки до загальної картини цих живих істот. Пернатих динозаврів, ще більших і потужніших тварин і навіть раніше родичів птахів регулярно виявляють на всіх континентах, включаючи Антарктиду.
Лише в останнє десятиліття було відкрито захоплююче поле досліджень органів дихання динозаврів: мова йде про повітряні мішки, ті органи, які допомагають визначати дихання у птахів і в той же час роблять їх дуже легкими для польоту. Виявляється, у динозаврів також були такі пневматичні конструкції в тілі, що робило їх легшими, але головне, дихали ефективніше. Динозаври витягують з повітря набагато більше кисню, ніж можуть витягнути ссавці (вимірюється на одиницю площі легенів). Разом зі своїми нащадками, птахами, вони були найефективнішими електростанціями для тварин, які природа коли-небудь виробляла.
Атмосферний кисень
Кисень став настільки важливим для дихання, оскільки він швидко реагує з багатьма іншими елементами та виділяє багато енергії в процесі. На початку земного розвитку атмосферний кисень майже не був доступний. Однак після появи життя та фотосинтезу рослин та водоростей кількість кисню в атмосфері поступово зростала: вироблялося все більше і більше, тоді як океани поглинали значні концентрації вуглецю, які в іншому випадку негайно зв’язали б кисень.
Отже, протягом мільйонів років відсоток кисню в атмосфері постійно обумовлювався умовами життя на землі. Якщо лісові площі зменшились внаслідок геологічних явищ чи тектонічних процесів, частка кисню в атмосфері також впала. На відміну від цього, частка кисню зростала в епохи, коли рослинність на землі вибухала. Сьогодні ми дихаємо в атмосфері з 21% киснем. Однак існували геологічні епохи, коли ця частка падала до 10%, та інші, коли ця частка зростала до 30%.
1 показує криву постульованої концентрації кисню в земній атмосфері за останні 600 мільйонів років. Хоча межі помилок для кожної епохи не є незначними, ви все ще можете спостерігати чітке зменшення вмісту кисню в тріасі (близько 250 мільйонів років тому), яке потім повільно компенсувалося в Юрі. Це вік динозаврів.
Ніхто не вказував на взаємозв'язок між морфологією тварин, диханням і киснем в атмосфері ефективніше, ніж Пітер Уорд у своїй роботі "Out of Thin Air" (2006), з якої взято рис. 1. Книга іноді здається широкомасштабним монокоузальним поясненням життя на землі, але цінна своїми чіткими твердженнями, які потім можна сфальсифікувати за допомогою палеонтологічних знахідок.
Теза Уорда проста: прабатько динозаврів розвинув ефективне дихання більше 250 мільйонів років тому. Замість того, щоб вдихати повітря в легені (тупик), а потім видихати його, як ссавці (витрачаючи половину часу, доступного для споживання кисню), повітрю дозволялося безперешкодно текти через бронхи динозаврів і лише в одному напрямку, як у сьогоднішні птахи. Це означає, що з одиниці часу та одиниці площі легенів з повітря витягується більше кисню. Птахи можуть, наприклад, літати над Альпами або навіть Гімалаями, на висотах, на яких ссавці негайно втрачають свідомість.
Ця адаптація до низької концентрації кисню тріасу та юри дала динозаврам контроль над землею. Зникли менш ефективні та повільніші тварини. За часів динозаврів ссавці могли займати лише кілька екологічних ніш - вони були нічними та обмеженими розмірами.
Для такого подвигу птахи використовують повітряні мішечки, які розподіляються по всьому тілу. При вдиху повітря протікає через легені, але також заповнює повітряні мішки в передній і задній частині тіла. Коли ви видихаєте, повітряні мішки, які працюють як сильфон, здуваються, і повітря продовжує текти через бронхи і назовні. Таким чином, бронхи постійно забезпечуються свіжим повітрям. На рис. 2 показано, як ця "турбонаддув" працює у птахів за допомогою співпраці передніх і задніх повітряних мішків.
Як ссавець, хтось хотів мати таку ефективну дихальну систему, оскільки повітряні мішки дозволяють наступне:
- З такими органами дихання динозаври мали більше енергії та витривалості, ніж інші тварини. Хоча деякі сучасні маленькі плазуни не можуть одночасно бігати і дихати, у динозаврів довше дихання, коли вони переслідують.
- Повітряні мішечки збільшують поверхню тіла, чим тварини можуть скористатися для швидшого охолодження. Це було б дуже важливо для динозаврів з їх масивними тілами. Крім того, все працює повністю автоматично: більше зусиль генерує більше потоку кисню і, отже, більшу охолоджувальну здатність.
- Повітряні мішки призводять до легшого тіла. Якщо тварина важить кілька тонн, кожен порожній простір допомагає зберегти вагу. Динозаври та птахи, здається, довели цю "пневматичність" до крайності.
Тому динозаврів можна було сприймати як рухливі електростанції. Вони також були легкими, як і звичайними, і просто роздутими. У Тероподи при їх вертикальній ході легені також були роз'єднані від м'язових рухів ніг.
Пневматика
Важливість повітряних мішків у зменшенні ваги динозаврів насправді не є нічим новим. Ще на початку 20 століття існування повітряних мішків запідозрили на основі досліджень хребта динозаврів.
У птахів повітряні мішки слід не просто уявляти як круглі кишені, а як структуру з безліччю довгих відростків (так званих дивертикулів), які проникають у кістки. Кістковий матеріал просто замінюється «повітряною подушкою». Це робить кістки легшими без особливих структурних втрат (деякі кістки птахів також значною мірою порожнисті і мають внутрішню структуру з різними поперечинами, як у кранів).
На рис. 3 показано порівняння сучасного птаха з тераподою. Ззаду і спереду є повітряні мішечки, які допомагають зробити дихання ефективним, а проникаючи в кістки, вони полегшують шию і хребет.
Сенсація сталася в 2008 році з першим докладним описом Aerosteon riocoloradensis, який був виявлений в Аргентині в 1996 році.1 Як випливає з назви, Aerosteon був пронизаний повітряними мішками. У ключиці, грудній клітці, задній частині тазу та животі були повітряні мішки. Значення повітряних подушок як структурного матеріалу в структурі тіла динозаврів знову було в центрі морфологічних аналізів.
Такі порівняльні дослідження також були стимульовані докторською дисертацією, опублікованою приблизно в той же час. У 2007 році Метью Ведель подав дисертацію з пневматики динозаврів. Робота описує порожнини в кістках динозаврів, які напрочуд схожі на порожнини в кістках птахів. Ми знаємо, що у птахів ці порожнини пронизані дивертикулами повітряних мішків і що відносно великий обсяг може бути заповнений ними (для того, щоб довести це, качки повинні були вірити за два роки до того, повітряні мішки яких були наповнені рідким латексом і підготовлені)
Ведель показав, що передні та задні хребетні стовпи птахів пронизані передніми та задніми повітряними мішками відповідно. Однак середній відділ хребта проникає лише в кінці розвитку птиці. Іноді розвиток передчасно зупиняється, а середній відділ хребта залишається твердим кістком. Ведель зумів точно визначити те саме в скам’янілостях динозаврів, продемонструвавши таким чином паралельний розвиток птахів.
Рис. 4 дуже ілюстративний у цьому контексті. На ньому видно хребет динозавра з довгою шиєю (як можна милуватися в Берлінському музеї природознавства) .3 Повітряні мішечки позначені синім кольором, і, як бачите, значна частина простору в шиї цього динозавра заповнена повітрям. Тому деякі дослідники вважають, що повітряні мішки врятували динозаврів до 20% ваги.
Не всі динозаври розвинули повітряні мішки. Так звані тазові динозаври не мали від цього ніякої користі. Вони виникли, коли вміст кисню в атмосфері вже знову зріс - згідно з гіпотезою Пітера Уорда. Птерозаври, навпаки, літаючі динозаври, мали повітряні мішечки і використовували їх як для дихання, так і для схуднення.
Однак дивно, що одностороннє дихання також було виявлено у крокодилів у 2010 році. У крокодилів немає повітряних мішків, саме тому їх вдих і видих давно не вивчалися. Однак під час досліджень на трупах було встановлено, що крокодили, як і птахи, можуть вдихати повітря одним каналом і видихати другим каналом.4 Це означало б, що так звані архозаври вже винайшли одностороннє дихання і що динозаври мали лише повітряні мішки для цього нововведення внесли.
Однак останнім часом виявлено більше плазунів, які також практикують одностороннє дихання, що поволі збільшує кількість відомих видів з цією властивістю. Нещодавно було показано, що навіть повільні дракони Комодо можуть дихати в один бік, а це означає, що момент часу, коли була створена ця форма поглинання кисню, був відкладений 270 мільйонів років тому
Проте ще ніхто не має повної впевненості у дослідженні динозаврів. Вимірювання вмісту кисню в атмосфері в доісторичні часи можна проводити лише опосередковано (наприклад, використовуючи мінерали, присутні в різних шарах землі). Інші типи вимірювань іноді призводять до результатів, які дещо релятивізують великі коливання вмісту кисню в атмосфері, наприклад, якщо використовують хімічні властивості бурштину.6 Тоді це вже не буде настільки зрозумілим, що динозаври змушені вводити або блокувати одностороннє дихання вдосконалити. Це було б більше випадково. Однак палеонтологи ненавидять теоретичний вакуум.
Повітря як конструкційний матеріал
Приклад птахів і динозаврів показує, що повітря також може відігравати роль в біології як конструкційний матеріал за допомогою пневматики. Гідроприводи (якщо ви можете говорити про такі біологічні речі) добре відомі, і мені не потрібно наводити особливих прикладів. А може, лише одне, не те, що може мати на увазі читач: павуки витягують ноги за допомогою гідравлічного тиску. Хоча м’язи можуть скорочувати ноги, протилежний рух створюється тиском на рідину в ногах павука.
Але пневматика також може чогось досягти. Наприклад, для довгої шиї диплодока дуже важливим було заощадження ваги (шия могла бути довжиною до 15 метрів). Штучні моделі хребців на шиї були побудовані в лабораторії з повітряними трубками, і було показано, що сухожилля не тільки можуть рухати шию і утримувати її вертикально, але й стиснене повітря може також допомогти вийти з повітряних мішків. Щільність шийки диплодоку може бути зменшена повітряними мішечками до рівня нижче 500 г на літр. Динозаври просто не могли потонути у воді.
Повітря в порожнинах відіграє важливу роль не тільки в біології, але і в техніці. Як показує приклад динозаврів, пневматичні елементи можуть виконувати структурні завдання. Наприклад, в технології автоматизації приводи стисненого повітря застосовуються вже давно. Підйомні подушки, що працюють зі стисненим повітрям, також розвивають великі сили. Бейсбольний стадіон у Токіо був повністю покритий конвертом із стисненого повітря. У багатьох містах є тенісні зали, які складаються лише з намету для стисненого повітря. Повітря - справді чудовий і раз у раз недооцінюваний "будівельний матеріал".
І навіть якщо дослідження динозаврів, яке ми торкнулися тут, залишає без відповіді більше запитань, ніж може дати відповіді щодо еволюції повітряних кишень, можна знову звернутися до Мелвілла, який зазначив у главі з цетології "Мобі Дік": Маленькі проекти швидко закінчуються; але завершення справді великих проектів, таких як Кельнський собор, можна сміливо залишити майбутнім поколінням.
Більше копалин та кращі методи вимірювання з часом дадуть відповіді на всі питання, порушені тут.