Птицы – прямые потомки динозавров

Грегори С. Пол

Независимый исследователь; автор книги The Princeton Field Guide to Dinosaurs («Динозавры: принстонский путеводитель»)

Наиболее изящный пример элегантной идеи в одной из сфер моих научных интересов – идея о том, что динозавры были тахиэнергетическими существами: иными словами, они были эндотермами (теплокровными животными) с высоким уровнем производства внутренней энергии и высоким уровнем потребления кислорода при физических нагрузках, что характерно для птиц и млекопитающих, способных к долгим периодам физической деятельности. Такая идея о «высокоэнергетичном» динозавре вполне согласуется с гипотезой о том, что птицы являются прямыми потомками динозавров – в сущности, летающими динозаврами (подобно тому, как летучие мыши – летающие млекопитающие).

Из тахиэнергетической идеи следуют важнейшие выводы. Она совершила настоящий переворот в нашем понимании значительной части эволюции и 230 миллионов лет истории Земли, коренным образом изменив представления, державшиеся в науке с середины XIX века до 1960‑х годов. Раньше большинство ученых предполагали, что динозавры – тупиковая ветвь холоднокровных рептилий, способных лишь на краткие всплески бурной физической активности. Даже ходьба со скоростью 8 км/ч требует высокой респираторной емкости, которой нет у пресмыкающихся: передвигаясь на большие расстояния, они вынуждены тащиться со скоростью всего лишь 1,5 км/ч. Птицы же рассматривались как особая группа животных – пернатые существа, в процессе эволюции научившиеся управлять «неэффективным» (с точки зрения рептилий) расходом энергии, чтобы эта энергия позволяла им летать. Хотя новая гипотеза не заключала в себе логических противоречий, она все же отличалась от общепринятых гипотез об эволюции летучих мышей: их шерстистые предки, как и они сами, обладали высокой респираторной емкостью.

Я впервые узнал о «теплокровных» динозаврах, еще будучи старшеклассником, в свой последний школьный год: Smithsonian Magazine давал хвалебную рецензию на статью Роберта Бэккера, вышедшую в Nature летом 1972 года. Как только я прочел этот текст, у меня в сознании все встало на свои места. Раньше я воображал себе динозавров похожими на рептилий, но что-то здесь не складывалось, поскольку динозавры явно сложены как птицы и млекопитающие, а не как крокодилы и ящерицы. Примерно в то же время Джон Остром, также приложивший руку к открытию эндотермии динозавров, представил доказательства того, что птицы – летающая разновидность динозавровавепод: идея настолько очевидная, что она должна была бы стать доминирующей в науке еще в XIX столетии.

На протяжении четверти века эти гипотезы считались весьма противоречивыми (особенно та, что описывала метаболизм динозавров), и некоторые из первых их обоснований грешили недостатками. Но доказательства продолжали накапливаться. Кольца роста в костях динозавров демонстрируют, что эти существа росли сравнительно быстро: рептилии не могли бы увеличиваться в размерах с такой скоростью. Следы динозавров показывают, что эти животные на протяжении длительных промежутков времени ходили с высокой скоростью, недостижимой для холоднокровных существ. У многих небольших динозавров имелись перья. А полярные динозавры, птицы и млекопитающие переживали снежные мезозойские зимы, что было бы невозможно для существ холоднокровных (эктотермов).

Благодаря этой «динозавриной революции» наше понимание эволюции животных, некогда царствовавших на земных континентах, теперь гораздо ближе к истине, чем раньше. Энергоэффективные амфибии и рептилии доминировали на суше лишь в течение 70 миллионов лет – на протяжении самой поздней части палеозойской эры, которая началась с трилобитов и с полного отсутствия сухопутной живности. На протяжении последних 270 миллионов лет высокоэнергетические, хотя и менее энергоэффективные, тахиэнергетики царили на суше. Все началось с протомлекопитающих – терапсид, появившихся ближе к концу палеозоя. Терапсиды вымерли в начале мезозоя (в этой группе животных выжили только млекопитающие, в ту пору сравнительно мелкие), и в течение следующих 150 миллионов лет на смену им пришли не низкоэнергетические динозавры, а такие динозавры, которые смогли быстро увеличить свой и без того немалый уровень освоения кислорода.

Необычная респираторная система птиц настолько эффективна, что некоторые пернатые умеют летать не ниже самолетов. Однако эволюция создавала эту систему не для полета. Дело в том, что конструкции скелета, позволявшие управляться с легкими, сделанными по принципу воздушного мешка, впервые возникли у нелетающих динозавровавепод для вполне сухопутных целей (некоторые исследователи, пусть и далеко не все, полагают, что фактором отбора здесь стал низкий уровень содержания кислорода в атмосфере Земли). Так что основы «птичьей» энергетики появились не у кого-нибудь, а у хищных динозавров. Далеко не сразу эти особенности стали использоваться для настоящего полета. Точно так же и двигатель внутреннего сгорания изначально был разработан не для полетов, однако позже позволил человеку внедрить такие устройства в самолетостроение.

Сложность из простоты

Брюс Худ

Директор Бристольского центра когнитивного развития (Бристольский университет); автор книги The Self Illusion: How the Social Brain Creates Identity («Самообман.

Как социализированный мозг формирует личность»)

Как ученый я имею дело со сложными поведенческими и когнитивными процессами, но мое любимое «глубокое и изящное объяснение» взято не из психологии (которая редко бывает изящной), а из математической физики. Готов поручиться, что теорема Фурье обладает куда большей простотой и при этом куда большей применимостью, чем многие другие широко известные научные объяснения. Выразим ее упрощенно: любой сложный объект или процесс, будь то во времени или в пространстве, можно описать в виде серии перекрывающихся синусоидальных волн различной частоты и амплитуды.

Я впервые столкнулся с теоремой Фурье, когда работал в Кембридже над диссертацией о развитии зрения. Там-то я и познакомился с Фергусом Кэмпбеллом, который в 1960‑е годы продемонстрировал, что теорема Фурье не только позволяет элегантнейшим образом анализировать сложные визуальные объекты и процессы, но является корректной и с биологической точки зрения. Это открытие позже позволило заложить основу для разработки многообразных математических моделей зрения. Но зачем ограничиваться в нашем анализе лишь зрением?

В сущности, любое сложное физическое явление можно свести к синусоидам с их математической простотой. Неважно, о чем идет речь: о «Звездной ночи» Ван Гога, моцартовском «Реквиеме», духах «Шанель № 5», роденовском «Мыслителе» или салате «Вальдорф». Любой сложный объект или процесс в окружающем нас мире можно перевести в нейронный рисунок, который, в свою очередь, можно разложить на множество синусоид, соответствующих проявлениям нейронной активности.

Может быть, я в чем-то даже завидую физикам. Процитирую лорда Кельвина: «Теорема Фурье… не только один из красивейших плодов современного анализа, но и незаменимый инструмент в разрешении почти всякого запутанного вопроса сегодняшней физики». Трудно удостоиться более высокой похвалы.