Стратегія швидкого росту: гігантизм стародавніх тварин

Стратегія швидкого росту: гігантизм стародавніх тварин

Порівнюючи викопних тварин із сучасними, реконструюючи умови, в яких жили стародавні мешканці планети, біологи з'ясовують, чому доісторичні істоти були такими великими.

Коли мова заходить про тварин-гігантів, зазвичай згадуються гавіал (7 м), анаконда (10 м), африканський слон (4,5 м в холці), жирафа (5,5 м), китова акула (18 м) і, звісно, синій кит (33 м). Однак ніхто з цих велетнів не зрівняється за розмірами зі своїми доісторичними предками - хіба що риби (акули) та кити. Судіть самі: північноамериканські мамонти були на метр вищими за сучасних слонів, і на 3-4 т важчими. Викопний носоріг парацератеріум був вищим за нинішню жирафу на 2,5 м і важчим в 20 разів. Довжина вимерлого удава Titanoboa становила 13 м. Крокодили саркозухуси сягали 11-12 м в довжину, що на 3-4 м більше, ніж їх найдовші сучасні родичі. Що вже говорити про гігантських динозаврів та їх родичів плазунів - морських і літаючих рептилій, довжина яких набагато перевищувала десять метрів.

Навряд чи можна пояснити всі випадки гігантизму стародавніх тварин однією загальною причиною. Існує думка, що їх непомірний ріст міг відбуватись під впливом клімату, який протягом більшої частини історії Землі був набагато теплішим, ніж зараз. Ця обставина особливо важлива для рептилій, більшість яких холоднокровні і тому сильно залежать від температури навколишнього середовища. Саме серед рептилій виникли рослиноїдні динозаври - зауроподи, найбільші з усіх сухопутних істот, які будь-коли існували на Землі.

Sauropoda (що в перекладі з латині означає «ящероногі») входять в ряд так званих ящеротазових динозаврів Saurischia. В цей ряд входять два підряди - бігаючі на двох ногах хижі тероподи (Theropoda), нащадками яких стали птахи, і ходячі на чотирьох ногах рослиноїдні зауроподоморфи (Sauropodomorpha), до яких належали і зауроподи. Припускається, що предки як тероподів, так і зауроподів пересувалися на двох ногах і були хижаками. Проте з часом зауроподи стали споживати рослинну їжу, що призвело до збільшення їх маси і переходу до чотириногого способу життя.

Перші зауроподи з'явились до кінця тріасового періоду, близько 220-230 млн. років тому. Їх нащадки процвітали в юрському і крейдяному періодах, зникнувши разом з іншими динозаврами лише близько 65 млн. років тому. Сьогодні описано близько 200 видів зауроподів, і палеонтологи продовжують знаходити нові. Кістки цих рептилій знайдені на всіх материках, включаючи Антарктиду, що свідчить про їх виключну еволюційну успішність.

Одним з перших справжніх зауроподів був 8-10-метровий Antetonitrus з пізньотріасового часу (216-203 млн. років тому). А вже в ранньоюрських породах віком 200-190 млн. років виявлені кістки 18-метрового Barapasaurus, який важив 48 т. Тобто гігантами ці ящери стали за геологічними мірками досить швидко, за 15-20 млн. років. Є навіть дані, які дозволяють припустити, що це могло відбутись набагато швидше, менш ніж за 10 млн. років.

Гігантизм: за і проти

Виникнення надзвичайно великих організмів найпростіше пояснити тим, що у гігантів не буває ворогів, які могли б на них полювати. Розміри організмів визначаються взаємодією законів живої і неживої природи. У кожному конкретному випадку розмір тварини залежить від її власних характеристик і від умов, в яких вона живе. При цьому існують дві крайні стратегії - мініатюрність і гігантизм. Дрібні тварини можуть тікати і надійно ховатись, а з гігантами більшості хижаків важко впоратись. Таке уявлення, хоч і вірне, але занадто спрощене. З одного боку, звичайно, чим тварина більша, тим менше у неї природних ворогів і тим успішніше вона сама полює на дрібніших тварин. Крім того, масивні істоти краще зберігають тепло, довго можуть обходитись без їжі і таким чином здатні легше переживати природні катаклізми.

З іншого боку, кожна велика тварина являє собою неповоротку мішень. Вона довше росте, їй потрібно більше їжі. Гіганти, як правило, розмножуються рідше, ніж дрібні тварини, пізніше досягають статевої зрілості і залишають менше нащадків. Тому популяції великих тварин не настільки численні, а більша тривалість життя не дозволяє їм швидко оновлюватись, знижуючи здатність адаптації до мінливих умов навколишнього середовища.

І все ж у ході еволюції в більшості груп живих організмів розміри збільшуються, так що нащадки зазвичай стають більшими за своїх предків. Цю закономірність близько 100 років тому помітили два палеонтолога - американець Едвард Коуп і француз Шарль Депере. «Розвиток організмів проходить від дрібних предкових видів до все більш великих», - писав Депере.

В історії кожної групи живих істот з'являлись види, які помітно перевершують за розмірами навіть своїх найближчих родичів. Звичайно, смішно говорити про мурах-гігантів, але все пізнається в порівнянні. У мурах з роду Dorylus особини з касти солдатів досягають 3 см в довжину, а розмір їх самки-королеви - 5 см, що на порядок більше, ніж розмір звичних нам рудих лісових мурашок. А в деяких групах природні «експерименти» супроводжувались появою справжніх велетнів.

Будова організмів визначається сукупністю умов, які складались в різні геологічні епохи, - сили тяжіння, хімічного складу атмосфери і т.д. Від цього залежать властивості клітин і тканин, в тому числі скелетних, які підтримують форму тіла тварини і забезпечують об’єм, необхідний для нормальної роботи внутрішніх органів.

Оскільки у водному середовищі тіло важить менше, ніж на суші, саме в морях частіше з'являлись види-велетні, будь то гігантські кальмари, найбільші безхребетні (до 14 м), або ракоскорпіони-евріптеріди, найбільші членистоногі (понад 2,5 м). Важливі також тип харчування та дихання, спосіб пересування і розмноження, інтенсивність нагрівання й охолодження тіла. Бабки з розмахом крил 71 см, 10-сантиметрові таргани, 70-сантиметрові скорпіони і 2,5-метрові багатоніжки могли існувати лише в лісах кам'яновугільного періоду, коли частка кисню в атмосфері досягала 35% проти сьогоднішніх 21%. Якби концентрація цього газу була нижчою, то дихальна система цих членистоногих, яка складається з безлічі трубочок-трахей, не справлялася б з газообміном. Що й сталося в мезозої: зниження концентрації кисню в повітрі призвело до зменшення розмірів комах.

В деяких випадках важливі і екологічні причини. Серед плазунів і ссавців хижаки ніколи не будуть такими ж великими, як травоїдні, оскільки кількість доступної рослинної їжі, як правило, перевищує кількість їжі тваринної. Шаблезубі тигри були набагато меншими за мамонтів, а найбільші м'ясоїдні динозаври - тиранозаври і спинозаври - помітно нижчими, коротшими і на порядок легшими за своїх сучасників - величезних травоїдних рептилій із групи зауроподів. За довгу історію зауроподів серед них неодноразово виникали колоси вагою понад 50 т, причому в різних еволюційних лініях.

Окремі види зауроподів за розмірами у кілька разів перевершували стародавніх тварин з інших груп. Так, Sauroposeidon proteles (3) досягав 34 м в довжину, тоді як довжина найбільшого з тероподів, Spinosaurus aegyptiacus (1), становила від 14,3 до 18 м (знаменитий Tyrannosaurus rex був і того менше, «всього» 12,8 м). Найбільший з орнітоподів, Shantungosaurus giganteus (2), був приблизно таким же: 15-16,6 м, а найбільший з ссавців, Paraceratherium (4), мав 9 м в довжину і 8 м у висоту

Народження велетнів

Чому ж серед безлічі динозаврів саме зауроподи досягли таких неймовірних розмірів? Проаналізувавши величезний масив даних, вчені прийшли до висновку, що цьому сприяла унікальна комбінація з п'яти ознак. Дві з них - яйцекладність і систему травлення - зауроподи успадкували від предків, а три виникли вже в самій цій групі: довга шия, специфічна будова скелета і теплокровність.

Завдяки надзвичайно довгій шиї вони могли добувати їжу на висоті, недосяжній для інших рослиноїдних, а також охоплювати величезний простір в горизонтальній площині, не витрачаючи сили на переміщення величезного тіла. Іншими словами, довга шия дозволяла зауроподам отримувати з біотопу більше енергії в порівнянні з іншими травоїдними. Крім того, завдяки величезній поверхні ця шия була відмінним теплообмінником, який не давав динозаврам перегріватись.

Обзавестись такою довгою шиєю зауроподи змогли тому, що голова у них була маленька. Всі травоїдні ссавці, а також так звані птахотазові динозаври (друга велика група, яка існувала разом з ящеротазовими), навпаки, відрізнялись великою головою з потужними щелепними м'язами і важким черепом. Її було б нелегко носити на довгій шиї. А настільки масивна голова сформувалась у них перш за все тому, що вони пережовували їжу.

Зауроподи ж, подібно до своїх предків, жувати не вміли. Будова їх зубів і щелеп вказує на те, що, зриваючи листя і відкушуючи пагони, вони ковтали їх цілком. Їжа перетравлювалась за рахунок тривалого перебування в кишечнику, задній відділ якого населяли безліч бактерій.

Маленька голова зауроподів була споряджена численними зубами, які утворювали тісні ряди (іноді до 50 на щелепу, від 6 до 30 зубів у кожному ряду) і були схожими у одних на товсті олівці, в інших - на масивні ложки, в залежності від раціону харчування.

Подовження шиї зауроподів відбувалось як за рахунок подовження хребців, так і за рахунок збільшення їх числа. У ссавців шийних хребців, як правило, сім, в тому числі у жирафи. А ось в одного з найбільш довгошиїх (9,3 м) зауроподів Mamenchisaurus до складу шиї входило 19 хребців. Більш того, маменчизаври мали й найдовші шийні ребра, які іноді перевищували 4 м. Вони були каркасом, до якого кріпилась потужна мускулатура шиї. Шия утримувалась під різними кутами завдяки системі потужних зв'язок, а також м'язам з так званими повільними волокнами, які витрачають при роботі значно менше енергії, ніж швидкі волокна.

Голову, яка сидить на дуже довгій шиї, важко забезпечувати кров'ю, для цього необхідні високий кров'яний тиск і потужне серце. Серце сучасної жирафи досягає 60 см в діаметрі і важить 10 кг. Згідно з розрахунками, маса серця 38-тонного ящера становила 200 кг. Судячи по спорідненості з птахами і крокодилами, зауроподи мали чотирикамерне серце, а отже, їм було властиве повне розділення венозної та артеріальної крові, що дозволяло досягати потрібного тиску.

Від своїх предків зауроподи успадкували яйцекладність. Кожен сезон вони формували по кілька кладок яєць, розмножуючись частіше, ніж великі ссавці, які пізніше досягають статевої зрілості і приносять нечисленне потомство. Причому чим більшим був динозавр, тим більше яєць він міг відкласти, що збільшувало шанси на виживання виду в цілому.

Новопридбанням динозаврів (до речі, не лише зауроподів, а й тераподів) став «пташиний» скелет. Їх шийні і тулубні хребці (а іноді і ребра), хвостові хребці і сідничні кістки таза мали велику кількість порожнин, у які, як припускається, заходили вирости повітряних мішків. Система повітряних мішків, сполучених з легенями, добре вивчена у сучасних птахів. Вона значно збільшує ефективність газо- і теплообміну, оскільки забезпечує однонаправлене і постійне переміщення повітря в легенях. Іншими словами, не тільки під час вдиху, а й під час видиху через легені проходить свіже повітря.

Поява системи повітряних мішків сприяла збільшенню темпів метаболізму. Високий рівень метаболізму і теплокровність обумовлювали швидкий ріст зауроподів аж до досягнення ними статевої зрілості. Жодна з рептилій, яка залежить від зовнішньої температури, не росла і не росте так швидко, як росли зауроподи.

Отже, якщо погодитись з припущенням, що збільшення розмірів ставить організм в більш вигідні умови, то еволюційна лінія його нащадків буде «рости», поки не досягне меж фізичних властивостей живої матерії. У випадку з зауроподами, ймовірно, так і було, а описані особливості їх будови і фізіології їм у цьому допомагали. Можливо, початковий поштовх гігантизму зауроподів дало підвищення рівня обміну речовин, яке забезпечило швидкі темпи росту в ранньому віці. Завдяки довгій шиї вони могли добувати їжу в будь-яких умовах з мінімальними енергетичними затратами, «птахоподібна» дихальна система робила вкрай ефективними метаболізм і теплообмін, а часте розмноження захищало популяції зауроподів від численних злигоднів. Все разом це не тільки дозволило їм стати вкрай успішною і численною групою, яка домінувала на суші протягом більшої частини мезозойської ери, а й випередити за розмірами всіх наземних і більшість морських істот.

X

Вхід

Завантажую...