Почему? Как динозавры стали такими большими?

Рождество 2008-2009 годов было особенным. Я встречалась с парнем из моего родного города, и все считали, что мы созданы друг для друга. Он был технарем-компьютерщиком, а я увлекалась биологией. Мы оба были трудолюбивыми мечтателями.

Некоторые зауроподы, такие как Alamosaurus sanjuanensis, формировали стада, разделенные по возрасту. — “Sauropoda.”

Но самое главное, он хорошо меня знал. Он понимал, как много для меня значит научное исследование; он начинал замечать, как моя страсть к палеонтологии растет с каждым днем.

Это был очень особенный год для палеонтологии и эволюции: 200-летие Дарвина и 150-я годовщина его революционного бестселлера "Происхождение видов". Лондонский музей естественной истории не мог пропустить эту дату, поэтому они организовали специальную выставку, о которой начали заранее объявлять. Я мечтала посетить её!

Обрезанная и повернутая версия изображения:Origin of Species.jpg, представляющего собой титульный лист и титульный лист издания Мюррея 1859 года «Происхождения видов» Чарльза Дарвина — «О происхождении видов».

Итак, на Рождество мой особенный парень купил нам билеты на самолет, проживание и билеты на это специальное событие. Мы собирались поехать на мой день рождения, который также был близок к реальной дате рождения Дарвина. Это не могло быть более идеальным.

Перенесемся в февраль, когда мы были готовы посетить знаменитый Лондонский музей естественной истории. Я так много читала об этом музее, что была в восторге, и посещение не разочаровало.

Однако я не буду лгать. Среди всех экспонатов меня больше всего поразил Диппи, диплодок. Этот огромный динозавр занимал весь зал. Это было великолепно.

И, конечно, начинающий палеонтолог во мне хотел узнать больше об этом существе. Как и почему он стал таким большим?

К счастью, за эти годы мне повезло изучить множество вопросов, связанных с восхождением и падением динозавров или эволюцией массы тела у наземных видов. Сегодня я изучу этот вопрос вместе с вами!

Динозавры-зауроподы были колоссальными гигантами, которые бродили по нашей планете с позднего триаса до конца мелового периода (от 163,5 до 66 миллионов лет назад). С их длинными шеями, крошечными головами и массивными телами, эти травоядные гиганты включают в себя хорошо известные виды, такие как диплодок из музея естественной истории и брахиозавр. Некоторые из них достигали длины до 26 метров и весили до 46 000 килограммов. В своей статье 2013 года доктор П. Мартин Сандер предлагает комплексное объяснение через так называемую "модель эволюционного каскада" (ECM).

Не волнуйтесь, я объясню это простыми словами. Модель Сандера ECM разбивает гигантизм зауроподов на пять взаимосвязанных эволюционных каскадов: размножение, питание, голова и шея, дыхание по типу птиц и метаболизм.

Каждый каскад начинается с определенных базовых черт (черты, унаследованные от предков зауроподов), которые могут быть либо примитивными, либо производными, и прогрессирует через серию эволюционных изменений, которые предоставляют селективные преимущества.

Эти каскады создают петли обратной связи, где преимущества одной черты влияют на развитие других, что приводит к огромным размерам тела, которые мы ассоциируем с зауроподами. Следуйте ниже; идея просто гениальна.

Исходная модель эволюционного каскада (ECM) гигантизма зауроподов. Модель состоит из пяти каскадов, которые все заканчиваются чертой "очень большая масса тела". Зеленые квадраты содержат черты зауроподов, а черные стрелки указывают на селективные преимущества. Давление хищников-тераподов изображено как представительный фактор отбора для увеличения размера тела. ECM также включает эволюционные петли обратной связи (синие стрелки). Синие квадраты указывают на селективное преимущество в петле обратной связи. BMR, базальная метаболическая скорость — Сандер, П. М. “An Evolutionary Cascade Model for Sauropod Dinosaur Gigantism — Overview, Update and Tests.” PLOS ONE, vol. 8, no. 10, p. e78573, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0078573.

Размножение

Одной из ключевых черт зауроподов является их репродуктивная стратегия. В отличие от многих современных крупных животных, зауроподы откладывали много мелких яиц. Да, вы не ослышались. Эти гигантские существа откладывали очень мелкие яйца по сравнению с их размером.

Этот метод размножения, известный как R-стратегия, позволял им производить большое количество потомков с относительно низкими родительскими инвестициями. Количество яиц увеличивало шансы на выживание хотя бы некоторых детенышей, несмотря на хищников и другие экологические вызовы.

Однако маленький размер яиц относительно взрослых особей означал, что молодые зауроподы должны были быстро расти. Эта быстрая скорость роста была важна для достижения размеров, которые защищали их от хищников. Быстро растя, детеныши могли быстрее пройти через уязвимые стадии и начать пользоваться защитными преимуществами большого размера.

(A)–Полевое фото частично раскопанных яиц из кладки 18E02, показанных под слегка наклоненным углом. Масштабная линейка = 15 см. (B)–Боковой вид той же кладки. Числа указывают уровни яиц. Масштабная линейка = 10 см. (C)–Нижняя сторона той же кладки, как показано во время подготовки, показана под наклоненным углом. Масштабная линейка = 15 см. Белые метки на (A) и (B) указывают яйца — Вила, Бернат, и др. “3-D Modelling of Megaloolithid Clutches: Insights about Nest Construction and Dinosaur Behaviour.” PLOS ONE, vol. 5, no. 5, p. e10362, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0010362.

Питание

Зауроподы имели уникальные стратегии питания, которые способствовали их гигантизму. Их длинные шеи позволяли им пастись на большой площади, не двигая своими массивными телами. Эта энергоэффективная стратегия питания уменьшала необходимость в передвижении, экономя энергию для роста и других важных функций. Гениально!

Интересно, что зауроподы не пережевывали свою пищу (стратегия, почти зарезервированная для травоядных млекопитающих). Вместо этого они глотали большие количества растительности, которая разлагалась в их огромных пищеварительных системах. Этот метод питания, в сочетании с их способностью перерабатывать большое количество растительного материала, поддерживал их высокие метаболические потребности и способствовал их быстрому росту.

Реконструкция выбранных шей зауроподов, показывающая осанку и длину — “Sauropoda.” Википедия, Wikimedia Foundation, 8 июля 2024 года, en.wikipedia.org/wiki/Sauropoda.

Голова и шея

Длинная шея зауроподов, возможно, является их самой отличительной чертой. Эта адаптация предоставляла несколько преимуществ. Как мы уже видели выше, длинная шея позволяла зауроподам питаться на широкой территории, оставаясь на месте, что экономило энергию.

Хотя это спорно, гибкость их шей, вероятно, варьировалась среди видов: некоторые могли двигать шеями в широком диапазоне движений, тогда как другие были более ограничены.

Кроме того, зауроподы имели относительно маленькие головы, что минимизировало вес на конце их длинных шей. Этот небольшой размер головы требовал меньше мышечной и костной поддержки, что облегчало поддержание длинной шеи без ущерба для стабильности или подвижности. Как вы, вероятно, начинаете понимать, множество независимых черт должно было эволюционировать в нужном направлении.

Дыхание по типу птиц

Это будет звучать как научная фантастика, так что потерпите: один из самых увлекательных аспектов биологии зауроподов — их дыхательная система по типу птиц.

В отличие от млекопитающих, которые имеют двунаправленный воздушный поток в легких, зауроподы (как современные птицы) имеют однонаправленный поток воздуха через легкие.

Сравнение реконструированных легочных систем клад зауроподов Rebbachisauridae (Diplodocoidea) и Saltasaurinae (Titanosauria) в виде справа. A. Реконструированная легочная анатомия обобщенного реббахизаурида. Скелетная реконструкция в основном основана на Nigersaurus taqueti (Sereno et al. 2007: fig. 3a); легочная анатомия основана на данных, представленных здесь, т.е. предполагаемых остеологических коррелятах пневматичности, описанных в нескольких реббахизауридах, но в основном Katepensaurus goicoecheai (цервикальная и дорсальная пневматичность) и Tataouinea hannibalis (сакральная, хвостовая и тазовая пневматичность). B. Реконструированная легочная анатомия салтасаврины (по Cerda et al. 2012: fig. 4a). Цветовое кодирование легочных структур следующее: оранжевый - легкие; зеленый - шейная система воздушных мешков; желтый - ключичная система воздушных мешков; синий - брюшная система воздушных мешков. Посткраниальные скелетные элементы, которые, как известно, были пневматичными, показаны серым; кости, которые были либо апневматичными, либо состояние которых не определено, белым — Ибирику, Луцио Мануэль, и др. “A novel form of postcranial skeletal pneumaticity in a sauropod dinosaur: Implications for the paleobiology of Rebbachisauridae.” (2017).

Эта высокоэффективная система позволяет осуществлять больший обмен кислородом и поддерживать высокие метаболические показатели. Она также помогала облегчить их тела, поскольку воздушные мешки, участвующие в этом типе дыхания, создавали пневматические (воздушные) пространства в их костях, уменьшая общий вес.

Другими словами, это место, где биология и инженерия встречаются.

Метаболизм

Да, я знаю, что некоторые из вас могут устать от чтения этого слова, но поверьте, оно здесь тоже важно.

Зауроподы, вероятно, имели высокие базальные метаболические показатели (BMR), которые поддерживали их быстрый рост и большие размеры тела. Высокий BMR означает, что организму нужно потреблять больше энергии, и зауроподы были хорошо оснащены для удовлетворения этой потребности благодаря своим эффективным стратегиям питания и большим пищеварительным системам.

Сочетание высокого BMR и эффективной дыхательной системы позволило зауроподам поддерживать свои огромные размеры и активный образ жизни.

Уровни основного метаболизма у позвоночных. (A) Предсказанные метаболические уровни по сравнению с наблюдаемыми уровнями. Сплошная линия — это подогнанная регрессия с затененными 95% доверительными полосами; пунктирная линия — это теоретическая подгонка. (B) Масштабирование метаболизма позвоночных. Уровни основного метаболизма у динозавров предсказаны по росту (пунктирная линия); все другие подгонки предсказаны по эмпирическим данным. Эндотермы: y = 0.019x 0.75, r 2 = 0.98, n = 89; Экзотермы (27°C): y = 0.00099x 0.84, r 2 = 0.95, n = 22; — Грейди, Джон М., и др. “Evidence for Mesothermy in Dinosaurs.” Science, 2014, https://doi.org/1253143.

Соединяя все вместе

Модель эволюционного каскада Сандера предлагает целостное представление о том, как зауроподы могли достигнуть и поддерживать свои гигантские размеры, что мы, ученые и любители науки, время от времени задавались вопросом.

Каждый каскад, от размножения до метаболизма, играл важную роль, и их взаимодействия создали мощную систему обратной связи, которая привела зауроподов к размерам, несравнимым с любыми другими наземными животными (о водных животных мы поговорим в другой раз).

Эта модель не только помогает объяснить гигантизм зауроподов, но и подчеркивает сложное взаимодействие эволюционных адаптаций, позволивших этим гигантам доминировать в своих экосистемах на протяжении миллионов лет.

По мере того, как палеонтологи открывают больше окаменелостей и применяют новые и более совершенные технологии, наше понимание биологии зауроподов будет только углубляться, раскрывая еще больше о этих удивительных существах. Но пока моя студенческая версия довольна, что смогла найти эти ответы и поделиться ими с вами.

Оставайтесь любознательными, друзья! (и смотрите видео ниже, если хотите узнать больше!)