ГОСТИНАЯ: Динозавры и современность

Автор: Дмитрий Шабанов

Удивительно, но динозавры, далекий от реалий повседневной жизни палеонтологический факт, вошли в обыденное сознание. На днях мне пришлось объяснять пятилетнему сыну, почему в своих поездках за лягушками («большая наука»!) я не принимаю никаких мер к тому, чтобы меня не съел тарбозавр. Сын, конечно, знает, что динозавров больше нет, но от фильмов об их жизни у него смещаются временные рамки.

Средства массовой информации активно пиарят динозавров. Открытие нового их вида или отрывок спора по частным вопросам динозавроведения могут обойти все информационные каналы. Вот главные вопросы, заботящие прогрессивное человечество:

• были ли динозавры теплокровными?

• отчего они вымерли?

• с какой скоростью бегал тираннозавр?

Пройдемся по этим вопросам и мы.

Крупные динозавры были гигантотермами – инерциально теплокровными животными. В субтропическом климате у пресмыкающегося со средним диаметром тела 1 м без всяких затрат энергии установится температура 34 ± 1 °C. Крупные динозавры не рисковали остыть, им угрожал перегрев. Возможно, наши реконструкции динозавров неполны – мы не отражаем на них органы-радиаторы для сброса тепла, как уши слона или влажный язык собаки.

Кстати, знаете, откуда "растут ноги" у античных мифов о циклопах? Черепа слонов, попадавшиеся путешественникам в Африку-Индию, выглядят необычно. Они округлые, как и человеческие черепа. Их глазницы невелики и относительно незаметны. Зато спереди находится отверстие вроде гигантской глазницы – там размещалось основание хобота. Не факт, что если бы к нынешнему времени все хоботные исчезли (а из трех сотен когда-то существовавших видов их осталось лишь два или три [Есть веские основания рассматривать лесную и саванную формы африканских слонов как два разных вида; вместе с индийским слоном получается три]), мы смогли бы правильно реконструировать слона по его остаткам. Что у него был хобот, стало бы понятно, но что такой… и что такие уши… – вряд ли!

А мелкие динозавры были по-настоящему теплокровными – гомойотермными [Важно не то, что у нас, например, кровь теплая (у агамы, которая греется на солнцепеке, потеплее будет), а то, что ее температура поддерживается постоянной]. Недавние находки перьев у некоторых из них не оставили в том сомнений. Для животного без внутренней «печки» термоизоляция абсурдна: тебя съедят те, кто разогреется быстрее.

Вымирание динозавров – особая тема. Почти все вроде бы согласились, что динозавров сгубило падение метеорита в Мексиканский залив. Вот Nature опубликовал статью о том, что этот метеорит образовался при разрушении небесного тела, находившегося за Марсом, в поясе астероидов. Другие его осколки повысили интенсивность бомбежек Земли и Луны в то непростое геологическое время. Вполне возможно. Но падением отдельного небесного тела или даже целой их очереди не объяснишь широкомасштабную и длительную смену фаун с сохранением одних групп и вымиранием других. Новые виды динозавров перестали появляться задолго до падения метеорита, а последние из них пережили это событие. Причины [А не внешние воздействия, усиливающие действие этих причин!] вымирания динозавров должны быть биологическими, связанными с перераспределением потоков энергии и вещества в экосистемах.

Ну и, наконец, бег тираннозавра [Тарбозавр и тираннозавр – очень близкие существа, только тарбозавр был азиатом, а тираннозавр – американцем]. В ранг ключевых вопросов динозаврознания эту проблему перевел "Парк юрского периода", где динозавр гонялся за джипом. Разброс оценок тираннозавра удивителен: от мелко семенящего падальщика до стремительного загонщика. С падальщиком не сложилось: голова тираннозавра предназначена для ударов по добыче, а ноги способны к широким шагам. А как оценить его скорость?

В Манчестерском университете суперкомпьютер загрузили расчетами по сложнейшей биомеханической программе, выводящей по пропорциям скелета объем мышц и скорость бега. 256-процессорный компьютер «гонял» каждый вид по неделе, правильно оценил скорость человека и страуса, а также установил, что шеститонный тираннозавр бегал со скоростью 29 км/час. Он мог бы догнать даже тренированного человека.

Стыдно не верить высокой науке, но меня эти данные не убеждают. Чем крупнее животное, тем тяжелее для него его собственное тело [Вес тела растет пропорционально кубу линейных размеров, а сила мышц и прочность костей – пропорционально квадрату их поперечного сечения, то есть гораздо медленнее!]. Для маленького ребенка падение с высоты его роста не страшно, для взрослого человека может представить опасность, а для тираннозавра было бы смертельно. Бег человека управляется намного лучшим «процессором», чем у тираннозавра, но и люди часто спотыкаются и падают (или удерживают равновесие благодаря прекрасной управляемости тела). Взрослый тираннозавр мог споткнуться и упасть лишь один раз в жизни. Рисковал ли он в такой ситуации бегать? Да и зачем ему было бегать? Чтобы догонять некрупных жертв? А зачем тогда он был таким большим? Преследовать крупных животных? Они-то точно были медлительнее.

Отбивать добычу у конкурентов? Для этого не надо никуда бежать. Чтобы ответить на вопрос, как интересующий нас вид использовал свой скелет, мало откалиброванной по людям и страусам биомеханики, нужны детали внутриэкосистемных взаимодействий. Увы (или к счастью), нам не с кем сравнить тираннозавра. Не верю, что нынешний ответ может быть окончательным.

А вообще-то история земной жизни богата иными, более глубокими и важными проблемами, нежели те, которые мы успели здесь обсудить.

…Прочитал колонку и ярко представил: подбираюсь я к очередной лягушке по колено в иле и ряске, а из-за склонившейся над водой старой ивы неспешно выходит тарбозавр…

ТЕМА НОМЕРА: Проклятые вопросы к обычным ответам

Автор: Леонид Левкович-Маслюк

Что было раньше – яйцо или курица? Последний раз этот вопрос мне задали пару лет назад – угадайте, кто? – спецназовцы из охраны одного среднеазиатского посольства, с которыми я случайно разговорился в подмосковной электричке.

Атлеты в камуфляже и с по-восточному непроницаемыми лицами везли в корзинке живую курицу, чтобы приготовить ее по какому-то особому рецепту. Видимо, эта ситуация навела их на философские размышления. Интересно, что они знали и ответ, хотя и не очень понятный для европейского уха, – дословно: "потому что так решил Аллах!". Но кто возьмется ответить более детально?..

Проклятые вопросы из серии "откуда все взялось" интересуют не только азиатских суперменов, но и многих наших читателей. В целом у нас в журнале за происхождение жизни и эволюцию отвечает Дмитрий Шабанов, энергично работающий в этой области ученый, педагог и просветитель. Но на сей раз мы решили подтянуть еще и дополнительные силы ученых-просветителей, пойдя тем путем, который подсказал человечеству великий Дуглас Адамс с его бессмертным «42» в качестве ответа на главный вопрос Вселенной. Вот и наша исходная идея заключалась в том, чтобы говорить не о вопросах, а только об ответах. Однако без вопросов (особенно проклятых) все-таки было как-то не по себе. В итоге получилось вот что.

В этом номере мы публикуем обзор доктора биологических наук, палеонтолога Елены Наймарк о современных взглядах на проблему происхождения человека. Там в основном ответы. Пунктиром через этот материал идет серия врезок, где другой доктор наук и палеонтолог Александр Марков отвечает на некоторые вопросы более широкого плана. Вопросы же мы составили по результатам общения (иногда одностороннего) с несколькими математиками, взыскующими точности и деталей. Это не заочная дискуссия и не приглашение к ней. Просто вечер вопросов и ответов.

Поход за разумом

Автор: Наймарк, Елена

В конце XIX века человечество взволнованно обсуждало, действительно ли предок Его Величества Человека – презренная обезьяна. Одним для смиренного признания животных прародителей оказалось достаточно стройной логики Дарвина. Другим требовалось что-то более осязаемое, нежели логика и косвенные доводы.

ОБ АВТОРЕ

Елена Наймарк – д-р биологических наук, Институт палеонтологии РАН.

В 1893 году голландский антрополог Дюбуа нашел на острове Ява череп, сочетающий в себе обезьяньи и человеческие черты. Его обладателя так и назвали питекантропом, то есть «обезьяночеловеком», а много позже все-таки причислили к человеческому роду под именем "человек прямоходящий". Вскоре в Германии были найдены неандертальцы, а во Франции – кроманьонцы. В 1925 году Раймонд Дарт откопал в Южной Африке древнейшие останки обезьяноподобного существа с маленькой черепной коробкой, ходившего на двух ногах и имевшего человеческие зубы. Это существо получило имя австралопитек – "южная обезьяна". Спустя треть века Льюис и Мэри Лики в ущелье Олдувай (Танзания) обнаружили останки двуногого существа, изготовлявшего примитивные каменные орудия из речной гальки, и назвали его Homo habilis, то есть человек умелый.

Таким образом, необходимые звенья цепи превращений обезьяны в человека были собраны. Дотошные любители фактических подтверждений были удовлетворены. Все выстроилось в простую линию: человекообразные обезьяны спустились с деревьев на землю и стали двуногими австралопитеками. Из-за прямохождения у древних гоминид освободились руки, что привело к эволюции руки и увеличению мозга – и вот появился "человек умелый". Он, в свою очередь, эволюционировал, совершенствуя навыки ручной работы и структуру мозга, и мало-помалу превратился в "человека прямоходящего". Дальнейшая его эволюция привела к образованию охотника-неандертальца и через него человека разумного. (Поначалу неандертальцев считали предками Homo sapiens, но вскоре их сочли тупиковой ветвью эволюции Homo.) Человек постепенно становился на ноги и выпрямлялся, умнел и потихоньку учился разговаривать – все в рамках теории естественного отбора и неторопливого накопления полезных признаков. За столетний период изучения сформировалось совершено определенное представление, кого называть человеком, то есть относить к роду Homo. По словам Льюиса Лики, человек – это двуногое прямоходящее существо с объемом черепа не меньше 600 см3. Иными словами, австралопитеков с когортой их обезьяньих предков оставляем за чертой Homo, а все, что появилось после австралопитеков, причисляем к людям. Почти все новые находки, кроме черепа человека с озера Рудольф (Homo rudolfensis), попавшие к ученым в течение ХХ века, хорошо укладывались и в теорию постепенного превращения обезьяны в человека, так что это определение человека было вполне оправдано. Соответствие теории и фактов было до того успокаивающим, что недоверчивое отношение к эволюционному превращению обезьян в людей считалось либо невежеством, либо социальным эпатажем.

Как могла возникнуть способность оперировать понятием бесконечности – в частности, воспринимать натуральный ряд как целое? Вряд ли эта способность могла быть фактором приспособленности?

Александр Марков

– Эволюционным путем возник наш многофункциональный мозг, способный ко многим вещам, в том числе и к абстрагированию. Но само абстрактное мышление развилось в ходе не биологической, а культурной эволюции. В языках некоторых народов хорошо видна неразвитость абстрагирования. Например, у айнов (древний народ, живущий на Сахалине и в Японии) к началу ХХ века были разные числительные для предметов разной формы и разного размера. Попав в современные школы, эти люди столкнулись с неожиданными трудностями. Если учитель задавал вопрос: было пять деревьев, одно срубили – сколько осталось? – следовал встречный вопрос ученика: а какие были деревья – высокие или низкие? Учитель не понимал, в чем дело, а ученик не мог сосчитать, потому что у него для высоких деревьев одна система числительных, для низких – другая.

В 1974 году антрополог Джохансон откопал в Эфиопии остатки австралопитека, точнее, австралопитечки, которая жила около 3 млн. лет назад, то есть раньше, чем все ее известные сородичи. Именно эта древняя дама, названная Люси, была признана тогда нашей древнейшей праматерью. Через двадцать лет (1995) в Кении Мив Лики обнаружила еще более древних австралопитеков, возрастом 4 млн. лет. Ни находка Люси, ни обнаружение ее предков не нарушили линейной человеческой истории, только «удревнили» ее корни.

Но вот в конце ХХ века появились сообщения о двух новых видах австралопитеков – Australopithecus garhi и A. bahrelghazali, которые жили около 2,5 млн. лет назад – одновременно с другими видами австралопитеков. Теперь уже невозможно было выстроить линейную цепочку от самого древнего и примитивного австралопитека к "самому двуногому и рукастому" человеку. Ведь не меньше четырех видов древних гоминид претендовали на роль предков человека умелого. Все запуталось.

Еще большую путаницу внесли находки нескольких фрагментов костей, извлеченные на свет божий тремя годами позже все тем же кланом Лики. Древние кости лежали в слоях вулканического пепла возрастом 3,5 млн. лет. Принадлежали они человекоподобному существу, ходившему на двух конечностях, с небольшой черепной коробкой, но плоским лицом и мелкими зубами. По всем признакам это был не австралопитек, но и не Homo. Тогда кто же он и какое отношение имеет к превращению обезьяны в человека? Лики назвали новоявленного члена человеческой семьи кениантропом плосколицым, подыскав ему среди ранее известных загадочных черепов близкого потомка – Homo rudolfensis. Кениантроп по ряду признаков больше походил на представителей рода Homo, чем австралопитеки. Перед антропологами встал вопрос, с каким родом следует соотносить кениантропа и от кого вести род Homo: от австралопитеков или кениантропов? Если непосредственными предками человеческого рода считать кениантропов, то его прямым потомком будет Homo rudolfensis; тогда в стороне от дел останутся человек умелый и поздние австралопитеки, от которых раньше тянули линию людей. Если же оставить предками человека австралопитеков, то куда девать ветвь кениантропов?

Пока ученые гадали, какие перестановки сделать в эволюционном ряду древних гоминид, Мартин Пикфорд отправился в Кению за новым материалом. И вот среди холмов Туджен в 2000 году экспедиция обнаруживает остатки нового, доселе неизвестного представителя гоминид. По характерным особенностям скелета ученые установили, что он обладал небольшим мозгом, но вполне человеческими зубами и довольно уверенно ходил на двух ногах. По этим признакам существо следовало бы отнести к непосредственным предкам Homo. Но возраст этих существ составлял 6 млн. лет! Они жили на 2 млн. лет раньше австралопитеков и на 2,5 млн. лет раньше кениантропа! Orrorin tugenensis – такое ученое название получило это существо, а публика дала ему пышное прозвище – "Мillennium Мan" – человек тысячелетия.

В том же году появились сообщения еще об одном представителе гоминид – ардипитеке кадабба, найденном международной антропологической командой в Эфиопии, в слоях с датировками 5,8-5,7 млн. лет, то есть чуть моложе оррорина. Его имя говорит само за себя: «кадабба» на местном афарском языке означает "основатель рода". Как и оррорин, кадабба обитал в лесистой местности, но ходил на двух ногах, и клыки у него были маленькие, не обезьяньи.

Вскоре на юге Сахары, в пустыне Дьюраб, был найден еще один древнейший прачеловек – сахелантроп. Превосходно сохранившийся череп одной особи и фрагментарные остатки еще пяти особей позволили воспроизвести облик сахелантропа: относительно плоское лицо, маленькая черепная коробка объемом не больше 350 см3, вытянутая в затылочной части наподобие обезьяньей, и вместе с тем непохожие на обезьяньи слабые клыки. Он жил около большого озера, бродил по его берегам на двух ногах. Это самый древний из известных гоминид, живший 6-7 млн. лет назад. Слава открытия древнейшего прародителя разделилась по крупицам: сахелантропа описала целая международная команда из 38 ученых. И правильно: пусть древнейший человек принадлежит всему человечеству.

Последняя сенсационная антропологическая находка – человек с острова Флорес. На этом маленьком островке на востоке Индонезии ученые обнаружили прекрасно сохранившиеся кости крошечного существа, ростом с пятилетнего ребенка, однако по всем анатомическим признакам вполне взрослого. Телосложением он напоминал уменьшенных питекантропов с объемом мозга около 380 см3, без шерстистого покрова и с плоским лицом, на котором выступали вперед челюсти с крупными зубами. Он пользовался отнюдь не примитивными каменными орудиями и охотился на местных карликовых слонов стегодонов. Эти люди, названные Homo floresiensis, но немедленно получившие кличку «хоббиты», жили 38—18 тысяч лет назад. Получается, что они были современниками и неандертальцев, и кроманьонцев… Предполагается, что 850 тысяч лет назад одна из ветвей "человека прямоходящего" – питекантропа – во время миграции в Азию попала на остров. После этого их эволюция шла изолированно, что привело к появлению мелкого островного вида. Для многих островных видов самых разных животных и растений характерны более мелкие размеры, чем у их континентальных прародителей. Правда, находятся и скептики, утверждающие, что остатки «хоббитов» принадлежат уродливым или больным особям сапиенсов. Дабы установить истину, ученые продолжают раскопки в ожидании нового материала.

Согласно данным молекулярной биологии, линии людей и человекообразных обезьян разошлись около 6-6,5 млн. лет назад. Датировки находок сахелантропа, оррорина и кадаббы лежат совсем близко от этого узла. Выходит, что многие человеческие признаки: двуногость, прямохождение, мелкие зубы, плоское лицо – появились в эволюционной ветви гоминид почти сразу после размежевания с обезьянами. И никакого постепенного превращения обезьяны в человека не было. Были существа, получившие в дар от эволюции по кусочку от этого человеческого пирога. И дальше они уже развивались обособленно, кто как мог.

Нужно заметить, что эволюция различных групп животных и растений, к которым эволюционисты, да и широкая общественность относятся не так трепетно, как к гоминидам, отнюдь не линейна. В начале развития каждой крупной группы животных и растений появляются представители с различными наборами примитивных и продвинутых признаков. Признаки перемешиваются почти случайным образом: ранний представитель группы может получить совершенный ротовой аппарат и малопригодные ноги или глаза. А рядом с ним часто обнаруживается и такой, который обладает совершенными глазами, а пережевывать пищу умеет плохо и передвигается наподобие древнего червя. Такая картина ученых не удивляет: это скорее правило, чем исключение. Другое дело, что мозаика признаков пока не имеет внятного научного объяснения. Судя по новейшим находкам, и человеческую историю не миновал этот необъяснимый эволюционный рок мозаики признаков.

Так или иначе, мы теперь знаем, что превращение обезьяны в человека вовсе не было прямым и постепенным, и кандидатов в человеческие предки оказалось много. На заре человеческой истории целый букет различных видов гоминид начал эволюционный поход к современному разуму. Подробности этого похода нам пока неизвестны – известны только его многочисленные и разномастные участники.

Возьмем вид животного, обладающий некоторым набором «умений», и его эволюционного предка, этим набором не обладающего. Можно ли предъявить хотя бы гипотетическую последовательность жизнеспособных переходных форм? Можно ли на генетическом уровне отследить эти переходы?

А.М.: Такие переходы часто связаны с тем, что одна и та же структура организма может приобретать некоторую дополнительную функцию, которая потом становится основной. Плавательный пузырь у рыб изначально был выростом пищевода. Рыба заглатывала туда воздух, и это давало повышенную плавучесть. Но ведь в оболочке пузыря есть кровеносные сосуды, там идет диффузия газов, поэтому он с самого начала выполнял и другую функцию, второстепенную, малозначительную – функцию газообмена. Но когда естественный отбор начал этому способствовать – на основе пузыря возникло легкое. Мягкие ткани практически не сохраняются, поэтому промежуточные формы сложно проследить на ископаемых рыбах. Но сравнительная анатомия для современных двоякодышащих рыб (протоптеруса, например) четко показывает гомологию (соответствие по положению относительно других органов и по динамике индивидуального развития) плавательного пузыря и легких. Есть и другие доказательства "эволюционной преемственности" этих органов, и все вместе это обеспечивает достаточную строгость выводов по современным меркам естественных наук. Таких примеров много.

Но можно ли дать ответ на уровне инструкции по сборке автомобиля – сначала ставим эту гайку, потом крепим эту ось, и так далее?

А.М.: С такой подробностью отследить эти процессы невозможно в принципе! В биологии таких ответов не было, нет и никогда не будет. Если принимать только такие ответы, а все остальное считать недостоверным, то биологию надо закрывать. Как мы можем во всех деталях проследить, кто кого родил? Это нереально.

Человек, чтобы распрощаться с животным прошлым, должен был подняться во весь рост. То есть встать на ноги. Сразу же возникают три вопроса: скептика – "а точно ли?", лентяя – "а зачем?" и инженера – "а как?". И антрополог вынужден изворачиваться, чтобы на них ответить.

Скептиков, не веривших, что древние люди ходили на двух ногах, а не опирались на передние конечности и не висели на деревьях, убедить было проще всего. Тут в арсенале антрополога полно фактов. В 1976 году Мэри Лики обнаружила на окаменевшем вулканическом пепле отпечатки ног. Возраст слоя с пеплом – около 3,5 млн. лет, то есть по этому месту в то давнее время бродил на двух ногах австралопитек. А следы-то были вполне человеческие – с пятками и пальцами ног. На некоторых следах видно, что большие пальцы прилегают к остальным, а не противопоставлены им, а это уже, несомненно, признак человеческий, а не обезьяний. Да и походка у того австралопитека была вполне человеческая: он ступал на пятку, потом переносил тяжесть на плюсну и отталкивался пальцами.

Помимо прямых доказательств – цепочки следов – есть и ряд надежных анатомических признаков прямохождения. Это строение костей ступни и щиколотки, строение шейки бедра, костей таза. По костям одного лишь мизинца ученые способны заключить, как передвигался его обладатель. Также хорошо увязывается с прямохождением положение затылочного отверстия в черепе. Оно показывает, вертикально или под углом находилась голова к оси тела, а значит, определяется и наиболее характерная поза. Кроме того, о прямохождении судят по местам прикрепления шейных мышц и мышц плеча. Иными словами, признаков таких много, и необязательно иметь фотографический портрет предка, чтобы восстановить его облик. Для этого достаточно найти небольшой набор его костей. Поэтому в конце ХХ века, когда у Человека разумного объявилось множество новых предков, не составило труда выяснить, как они двигались.

От сахелантропа (6-6,5 млн. лет) нашли целый череп и несколько фрагментов скелета. О его двуногости судят по положению затылочного гребня. К этому гребню крепились мышцы, поддерживающие голову в нужной позиции.

От оррорина (6 млн.) сохранилось бедро. Как говорят специалисты, его строение "не исключает возможность бипедализма" (то есть двуногости), но, к сожалению, и не доказывает его строго.

Ардипитек кадабба (5,2-5,8 млн.) предоставил исследователям челюсть с зубами, несколько фрагментов костей рук и ног и палец ноги. В данном случае даже одного пальца достаточно, чтобы признать кадабба двуногим. Вдобавок кости его конечностей очень похожи на кости Люси. А уж про эту древнюю даму, от которой остался почти целый скелет, известно досконально – она ходила на своих двоих.

От близкого вида Ардипитек рамидус (4,4 млн.) сначала нашли только куски черепа и челюсти, но потом откопали еще несколько костей, включая и плечевую. Она, очевидно, не несла нагрузки, то есть не использовалась при ходьбе. Да и затылочное отверстие черепа сдвинуто вперед.

Недавняя находка в Эфиопии явила человечеству нашего предка, жившего около 4 млн. лет назад. Руководитель раскопок Джохансон Хайле-Сайласси пока не берется судить, к какому роду причислить находку, но общий облик этого прачеловека восстанавливается без труда. Он завещал науке скелет исключительной сохранности, так что имеется возможность досконально изучить анатомию и эволюцию прямохождения древних людей. Кстати, ученые надеются, что столь полная информация поможет ответить на вопрос инженера – "как?". Как двигался человек и как должны были измениться конструкция суставов и перераспределиться нагрузки?

При исследовании этого прачеловека открылась любопытная деталь, связанная с эволюцией прямохождения. Оказалось, что он имел весьма длинные ноги, значит, был способен быстро ходить и бегать. У австралопитечки Люси, жившей на полмиллиона лет позже, ноги заметно короче. Но ведь в ходе эволюции ноги у человека не укорачиваются, а удлиняются! Как же вышло, что у более древнего представителя гоминид ноги длиннее, чем у более позднего? Этот факт удивляет тех ученых, которые все еще пытаются уложить эволюцию гоминид в прокрустово ложе направленных и постепенных изменений. Если же помнить о возможности мозаичного распределения признаков, то ничего сверхъестественного в длинных ногах древнейшего человека нет.

Итак, антропологи доказали, что даже самые древние представители гоминид предпочитали ходить на двух ногах. Теперь предстояло ответить лентяям: а зачем людям было вставать на ноги?

До недавних находок ответ представлялся простым. Обезьяны спустились с деревьев для того, чтобы осваивать саванну. По плоской саванне быстрее бегать на двух конечностях. Именно бегать, а не ходить, так как двуногие получают преимущество в скорости только при беге, но не при ходьбе.