Где-то в прошлом на Земле некоторые ветви древа жизни приняли план тела, который делал дыхание и охлаждение значительно более эффективными, чем то, как это делают тела млекопитающих, подобные нашему. На первый взгляд это развитие может показаться не таким уж большим, пока вы не подумаете, что оно, возможно, в конечном итоге привело к появлению некоторых из крупнейших динозавров, которых когда-либо знала эта планета. Оно было настолько успешным, что поддерживалось тремя разными группами вымерших видов и продолжает существовать сегодня в живых потомках динозавров.
Поскольку легкие обычно не переживают окаменения, можно задаться вопросом, как ученые могут установить что-либо о дыхательной способности вымерших видов. Ответ лежит в их костях.
В серии статей, опубликованных в конце 2022 и начале 2023 года, палеонтологи исследовали микроструктуру окаменелостей некоторых из самых ранних известных динозавров, чтобы определить, как развивались ранние части этой системы.
Эффективность дыхания
У таких видов, как птицы, эта система содержит полости, также известные как «воздушные мешки», внутри костей, расположенных по всему телу. В отличие от дыхания млекопитающих, где вдох и выдох — два отдельных процесса, эти кости помогают обеспечить однонаправленное дыхание: вдох и выдох одновременно. Известная как посткраниальная пневматизация скелета, она является частью чрезвычайно эффективной системы, которая быстро доставляет кислород в кровь и извлекает тепло из тела.
Сегодня эта инвазивная система воздушных мешков известна только у птиц. Птицы и крокодилы — архозавры, живущие родственники нептичьих динозавров и птерозавров. В то время как у современных крокодилов однонаправленное дыхание через легкие, их обработка воздуха не распространяется на их кости, которые не имеют полостей с воздушными мешками. В статье PLOS One 2012 года изучались системы воздушных мешков в триасе, и авторы определили, что «ни один из архозавров крокодиловой линии (псевдозухий) не демонстрирует однозначных свидетельств» посткраниальной пневматичности скелета.
«Нет никаких анатомических признаков каких-либо истинных пневматических особенностей, которые могли бы быть связаны с инвазивными воздушными мешками до эволюции птерозавров и ящеротазовых динозавров», — объяснил вывод авторов Тито Аурелиано, не участвовавший в исследовании PLOS One. .
Аурелиано, палеонтолог из Федерального университета Бразилии в Риу-Гранди-ду-Норти, является ведущим автором трех последних статей. Он объяснил, что, будучи млекопитающими, мы можем задыхаться или перегреваться из-за интенсивной физической активности или сильной жары. Не так, если у вас есть инвазивная система воздушного мешка.
Когда появились эти воздушные мешки? Они уже присутствовали примерно от 145 до 66 миллионов лет назад у теропод мелового периода (двуногих динозавров, которые были плотоядными или травоядными), птерозавров (летающих рептилий) и зауроподов (гигантских динозавров с длинной шеей).
Таким образом, чтобы найти их происхождение, команда заглянула еще дальше в триас (примерно от 252 до 201 миллиона лет назад). Они изучили два типа зауроподоморфов (ранние зауроподы до того, как у них развилась длинная шея и огромные размеры), названные Buriolestes и Pampadromaeus, а также тип плотоядных динозавров, известных как Gnathovorax. (В настоящее время обсуждается вопрос о том, является ли Gnathovorax тероподом или герреразавридом — другим типом динозавра.)
«Итак, большой вопрос заключался в том, — сказал Аурелиано в видеоинтервью, — были ли у общего предка этих трех групп в триасе уже воздушные мешки, или воздушные мешки возникли трижды независимо в ходе эволюции?»
Несколько источников
Следы на ископаемой костной ткани, совпадающие со следами, наблюдаемыми у современных птиц — современных динозавров, — указывают на наличие этой респираторной адаптации. Ни один из ранних видов не содержал этих следов, что указывает на то, что посткраниальная пневматичность скелета еще не развилась. Это означает, что он не мог присутствовать у общего предка динозавров и других основных групп, где он также присутствовал.
Это удивило соавтора Алин Гиларди, палеонтолога и штатного доцента, также работающего в бразильском Федеральном университете Риу-Гранди-ду-Норти. «Поскольку у самых ранних динозавров не было инвазивной пневматической структуры, — сказала она, — [воздушные мешки] должны были развиться после этого. И если он развился после этого, по логике вещей, птерозавры должны были развить его параллельно».
Другими словами, эти результаты предполагают, что три линии вымерших видов независимо развили одну и ту же дыхательную систему. Это явление известно как конвергентная эволюция.
Но окаменелости также предполагали, что к этому времени началась эволюция воздушных мешков. Аурелиано объяснил, что два зауроподоморфа и один герреразаврид, которых они изучали, жили примерно 233 миллиона лет назад, но Пампадромеус «был собран в скальной породе, которая была немного выше», что означает, что он существовал немного позже по времени, чем Буриолетес. Этот разрыв во времени, хотя и относительно небольшой с геологической точки зрения, представляет собой «огромное изменение» в скелете зауроподоморфа. У Pampadromaeus был новый тип ткани, который, как подозревает команда, мог быть шагом к эволюции воздушных мешков.
«Вся сосудистая сеть была другой [в Пампадромее]», — сказал Аурелиано. «Он был менее плотным и [имел] фракталы внутри, очень маленькие камеры для приема крови и жировых тканей». Это, добавил он, облегчит в будущем проникновению инвазивных воздушных мешков пространство, созданное этими фракталами, «поскольку воздушные мешочки работают как фракталы, выходящие из легких».
Адаптация к теплу
И Аурелиано, и Гиларди указали на жаркий климат триаса как на потенциальную причину развития этой адаптации. «Возможно, если бы ваша физиология [предложила] эффективное тело, справляющееся с жарой, у вас было бы преимущество перед конкурентами», — предположил Гиларди. «Так что, возможно, воздушные мешки благоприятствовали динозаврам, а не ящеротазовым и другим конкурентам во время триасового периода. Возможно, это ключ [к] успеху динозавров в [эту эпоху]».
Команда обратилась к другому типу зауроподоморфов из Бразилии, известному как Macrocollum itaquii. Macrocollum появился на планете «через 8 миллионов лет после Buriolestes, и это животное в три раза крупнее», — сказал Аурелиано.
Это важно, особенно потому, что команда обнаружила доказательства наличия системы воздушного мешка, что сделало его самым ранним из известных динозавров с такой эволюционной адаптацией. Эта система не была обнаружена по всему телу, как это было бы у его значительно более крупных потомков, но ее существование могло быть ключом к размеру Macrocollum.
Команда сравнила различные компоненты скелета ранних динозавров с более поздними гигантами с длинной шеей. Они отметили отсутствие системы воздухоносных мешков у самых ранних динозавров, таких как вышеупомянутый Gnathovorax, по сравнению с теми, у которых они были, такими как Macrocollum. К позднему юрскому периоду (примерно 154 миллиона лет назад) у гигантских зауроподов по всему телу была система воздушных мешков, что делало их менее плотными и более эффективными при распределении кислорода и тепла.
Таким образом, размер тела и более совершенная дыхательная система, казалось, развивались рука об руку, что согласуется с идеей о том, что последнее могло способствовать первому.
Параллельно развивается
Али Набавизаде — палеобиолог и клинический доцент анатомии Школы ветеринарной медицины Университета Пенсильвании, который не участвовал в этом исследовании. Он поддерживает выводы, сделанные в этих статьях, в том числе идею о том, что система развивалась трижды. По словам Набавизаде, конвергентная эволюция «обычна среди позвоночных».
«Прежде всего, — сказал он в телефонном интервью, — я доверяю авторам. Я давно знаком с их творчеством. Они точно знают, о чем говорят! [Внимание] к деталям [в их анализе] — вот что меня действительно привлекает, потому что я очень увлечен анатомическими деталями».
Набавизаде очарован анатомией вымерших видов, «потому что это такая загадка! Все, что у нас есть, это кости. Многие мои исследования связаны с реконструкцией мускулатуры на костях, но мышц у нас нет. Итак, я должен посмотреть на улики [и] провести небольшую детективную работу… И это именно то, что они сделали в этой статье. Они сравнили пневматические структуры в костях птиц с более ранними динозаврами, чтобы увидеть, как эти структуры могли бы выглядеть у этих динозавров».
Возможность заглянуть внутрь ископаемой кости с помощью микротомографии — технологии, которая позволяет ученым заглянуть внутрь кости в высоком разрешении с помощью рентгеновских лучей — помогла сделать это исследование возможным. По словам Набавизаде, такие технологии, как компьютерная томография, компьютерное моделирование и изучение микроструктуры ископаемой кости, с годами расширились, «и это экспоненциально расширило наши знания. Но в то же время нам предстоит долгий путь! Что захватывающе, правда?»
Для Гиларди самым интересным аспектом их исследования было то, что оно открыло об эволюции. «Иногда, — сказала она, — у [эволюции] разные способы достижения одного и того же результата». Она ссылалась на различные способы эволюции систем воздушных мешков у самых ранних динозавров, которых исследовала ее команда, до более крупных, хорошо изученных зауроподов, которые произошли от них.
В этом случае эволюция представляла собой не линейную последовательность изменений в структуре скелета этих животных, а «экспериментирование» с приспособлениями динозавров. Почти как если бы Триас был испытательным полигоном, в результате которого динозавры, когда-либо жившие в меловом периоде.
«Эволюция работает как мыслитель», — размышляла Гиларди, о чем она часто говорит своим ученикам. Как только он узнает, что что-то можно использовать, он может снова «переработать» эту адаптацию в будущем. «Что-то вроде воздушных мешков [эволюционировало у динозавров и птерозавров] сначала потому, что помогало справляться с жарой. В будущем [воздушные мешки] пригодились для [полетания] у птиц».
«Людям во всем мире важно знать, что у окаменелостей есть чему поучиться», — сказал Аурелиано. «Мы даже близко не подошли к завершению палеонтологических исследований», заявив, что палеонтология в настоящее время находится в «золотом веке». Он приписывает нынешнюю «интеллектуальную революцию» коллективным «усилиям по развитию науки во всем мире», усилиям, которые, по его словам, улучшаются только с увеличением разнообразия и инклюзивности, а также с дальнейшими глобальными научными инвестициями.
No comments:
Post a Comment