Эльза Панчироли – Звери до нас. Нерассказанная история происхождения млекопитающих (страница 24)

Все теплокровные животные на Земле – за исключением китов и нескольких ныряющих птиц – имеют носовые раковины, и исследования показывают, что без них существование эндотермии невозможно. В подтверждение можно сравнить общую площадь поверхности дыхательных раковин со скоростью метаболизма, тогда становится ясно, что чем выше метаболизм, тем больше площадь носовых раковин, что усиливает связь между активностью и необходимостью сохранения влаги и тепла⁷.

Применяя эти выводы к палеонтологической летописи, мы видим, где появляются носовые раковины в линии синапсид. Обонятельные раковины для распознавания запахов обнаружены почти у всех синапсидов, даже у самых ранних пеликозавров. Нечто похожее на них также обнаружено почти у всех прочих четвероногих, что наводит на мысль о том, что распознавание запаха в воздухе – одна из древнейших сенсорных адаптаций и возникла она очень рано в эволюции четвероногих. Но дыхательные раковины – это совсем другая история. Только у самых поздних групп пермского периода, тероцефалов и цинодонтов, мы находим их возможные свидетельства.

Хотя сами носовые раковины слишком хрупкие и могут не сохраниться, мы может увидеть выступы, которые поддерживают их внутри носа. После тщательного изучения ископаемых черепов с помощью рентгеновского сканирования некоторые исследователи пришли к выводу, что выросты на внутренней стороне носа у таких животных, как гланозух, образовывали основание дыхательных раковин. Гланозух, плотоядное животное, выраставшее до двух метров в длину, принадлежит к тероцефалам и известен по окаменелостям в Южной Африке.

Не все согласны с такой интерпретацией, но если эти выросты действительно основание носовых раковин, то они представляют собой самое раннее свидетельство появления этой структуры. Пройдет совсем немного времени, и они станут неотъемлемой чертой каждого цинодонта – верный признак того, что метаболизм наших предков поменялся задолго до того, как динозавры вообще появились в планах.

Другой способ изучить метаболизм и эндотермию у вымерших животных – изучить внутреннюю структуру их костей. Скелеты не мертвы; кость – это живая, растущая ткань, которая видоизменяется и реагирует на оказываемое на нее давление. Хотя кости у позвоночных немного различаются, вообще говоря, они состоят из твердого наружного слоя на кортикальной кости и менее плотной ткани, называемой губчатой костью, находящейся на концах. Именно здесь происходит наибольший рост и модификация. Кости снабжаются кровью, которой больше в губчатой кости, и в центре есть нечто, называемое миелоидной тканью – мы еще называем ее костным мозгом.

Кость состоит из смеси твердого фосфата кальция и более мягкого коллагена. Внутри костей находятся специальные клетки, которые выращивают новую кость и снова разрушают ее. Это постоянный естественный процесс, который позволяет реконструировать кости в соответствии с оказываемыми на них нагрузками. Один известный пример – руки профессиональных теннисистов: исследование показало, что какой бы руке спортсмен ни отдавал предпочтение, кортикальная кость в ней примерно на 40 процентов толще, чем в неведущей руке⁸. Такова реакция на повторяющиеся удары по мячу, к тому же это подкрепляет увеличенную мускулатуру. В аналогичном исследовании, проведенном в 2017 году, ученые изучили кости предплечий спортсменок и сравнили их с костями женщин из археологических раскопок. Выяснилось, что в период между неолитом и бронзовым веком интенсивный ручной труд, характерный для аграрного общества, приводил к тому, что верхняя часть тела среднестатистической женщины по силе сравнима с современной спортсменкой⁹.

Когда животное умирает, хотя более мягкие клетки и сосудистая сеть (сеть кровеносных сосудов) кости разлагаются, твердые минеральные части остаются. Эти микроструктуры частично отражают первоначальную структуру кости, что позволяет изучать рост, заживление и нагрузку, которую кость переносила в течение жизни.

Чтобы исследовать микроструктуру кости, чем занимается раздел гистологии, первым шагом надо отрезать ее кусочек толщиной около 0,03 мм – достаточно тонкий, чтобы пропускать свет. Тут гистолог сталкивается с первой проблемой: непросто убедить музеи и палеонтологов поделиться драгоценными окаменелостями. Некоторые экземпляры слишком хрупкие или редкие для тонкого среза. Есть альтернатива в виде мощных рентгеновских лучей для изучения структуры кости, но это дорогостоящая процедура и она имеет физические ограничения, о которых мы подробнее поговорим в других главах.

Погружаться в мир гистологии – все равно что плавать в супе с буквами. Существует так много терминов для обозначения типов костей, их расположения, костных клеток и закономерностей роста – в результате получается каша как в голове, так и во рту. Затем факторы, которые влияют на то, что вы видите в микроструктуре кости: возраст животного, где в теле расположена кость, окружающая среда животного, а также изменения, вызванные окаменением, и то, как был подготовлен образец. Рассматривание фотографий тонких гистологических срезов не отличить от похода в галерею современного искусства: все очень интересно, но ничего не понятно (и если вы думаете, что вашего пятилетнего ребенка заинтересуют такие подробности палеонтологии, то вы глубоко заблуждаетесь).

Чтобы выяснить, откуда у синапсидов теплокровность, исследователи искали доказательства скорости роста их костей. В 1970-х годах нашли разницу между типом кости, обнаруженной у более ранних синапсидов, и типом кости более поздних терапсидов. У терапсидов, по-видимому, было намного больше фиброламеллярных костей быстрорастущего типа, что указывало на то, что им был присущ более быстрый рост, чем их предшественникам.

Исследование, проведенное в 2007 году под руководством Летиции Монтес, показало, что существует четкая связь между темпами роста костей и метаболизмом¹⁰, подтверждая вывод о том, что терапсиды обладали более быстрым метаболизмом и, следовательно, были все более теплокровными. Недавно это открытие подкрепило более тщательное изучение костей двух аномодонтов из поздней перми, листрозавра и ауденодона. По сравнению с более ранними животными – клепсидропсами, диметродонами и эдафозаврами – аномодонты демонстрировали гораздо более быстрый рост костей и, следовательно, более высокий метаболизм, куда ближе к показателям, наблюдаемым у некоторых современных млекопитающих с более медленным метаболизмом, таких как карликовый мышиный лемур Microcebus.

В серии исследований также изучалась структура костей горгонопсов, что принесло аналогичные доказательства. Многие из этих исследований были проведены Анусуей Чинсами-Туран и ее коллегами. Чинсами-Туран, южноафриканская исследовательница из Кейптаунского университета, по праву считается одним из мировых экспертов в области гистологии. Мало кто разрезал столько древних костей для науки. Ее книга «Предтечи млекопитающих» объединяет передовые гистологические исследования синапсидов за последние несколько десятилетий. В ней рассказывается сложная, но увлекательная история. Например, у горгонопсов, по-видимому, наблюдались признаки неустойчивой модели роста: были периоды более быстрого роста и времена, когда рост полностью прекращался. Это не совсем четкая картина, но наводит на мысль, что у этой группы терапсидов метаболизм, возможно, отличался от более ранних синапсидов.

Есть и совсем иной подход: в одном исследовании искали доказательства теплокровности не в структуре костей, а в их составе. В костях и зубах содержится фосфатный минерал апатит, в нем присутствует кислород, который поступает в организм из окружающей среды. Природа изотопов кислорода меняется в зависимости от температуры тела и таких факторов, как климат и количество осадков. У эктотермов, чья температура тела зависит от условий среды, совершенно иной состав изотопов кислорода по сравнению с эндотермами. Так, появляется целый новый метод изучения окаменелостей в поисках доказательств теплокровности.

В 2017 году группа ученых получила кости и зубы терапсидов, а также различных современных рептилий и амфибий и протестировала их на содержание изотопов кислорода. Их результаты подтвердили повышенную скорость метаболизма у цинодонтов; другими словами, они были более теплокровными. Это не означает, что они были как современные млекопитающие, но скорость их метаболизма была выше, чем, например, у рептилий. Однако в других группах терапсидов эндотермия не нашла подтверждения¹¹. Такие выводы наводят на мысль, что первые шаги к эндотермии предпринимались где-то в конце перми и раннем триасе.

Наличие быстрорастущей фиброламеллярной кости у нескольких групп терапсидов, казалось бы, прямо кричит об эндотермии. Но, как всегда в науке, все не так просто. Изотопы кислорода рассказывают о теплокровности терапсидов совсем другую историю, и, по-видимому, не у всех терапсидов была эта кость, хотя она была у несколько более ранних синапсидов. В современном мире этот тип костей тоже не ограничивается одними эндотермами – он встречается у некоторых черепах и крокодилов. Чтобы еще больше все запутать, он отсутствует у пары млекопитающих и птиц. Так что, пускай фиброламеллярная кость и встречается у большинства животных с быстрым ростом, она вовсе не указывает на то, что они теплокровные.