12

Пределы возможного для живых существ

Обычно мы думаем, что гигантские размеры – это какой-то признак из прошлого, словно бы у каждого нынешнего животного предки были крупнее, злее, с броней или хотя бы зубами-саблями. Новости об окаменелостях привлекают наше внимание лишь тогда, когда рассказывают о чем-то из ряда вон выходящем – и гигантский размер остается постоянным фаворитом. Не в последнюю очередь это связано с тем, что млекопитающие-исполины – мамонты, пещерные медведи, гигантские ленивцы, саблезубые кошки – да и крупнейшие динозавры, давно уже не с нами, и вообще, огромных животных мы видим только в зоопарке или в защищенных вольерах (или рассматриваем их кости в музее). Но на самом деле мы живем во времена гигантов. Синие киты, финвалы, гладкие и гренландские киты – все, на кого в тот или иной момент охотились китобои, – это самые тяжелые животные, когда-либо жившие на Земле. Просто они обитают не там, где могут попасться на глаза людям. Самые крупные животные всех времен неуловимы и редко встречаются на полной устройств наблюдения планете с населением в несколько миллиардов человек.

Все гигантские организмы произошли от более мелких предков. Нет правила, гласящего, что гиганты не рождают более мелких потомков – в конце концов, у млекопитающих встречается островная карликовость, – но в целом, если мы говорим о динозаврах, слонах, лошадях или даже грызунах, тенденция к гигантизму сохраняется. (В летописи окаменелостей беспозвоночных эта закономерность встречается реже.) Эту особенность истории живой природы называют законом Копа в честь палеонтолога XIX в. Эдварда Дринкера Копа. (Неясно, заслужил ли Коп, заметивший тенденцию к увеличению размеров с течением времени, чтобы его именем назвали закон, но он дал названия нескольким ископаемым китам, так что мы с ним явно из одного племени.) Принцип, лежащий в основе закона Копа, подхваченный и доработанный его идейными наследниками, позволяет проверить на практике, как работает эволюция. Но недостаточно просто сказать, что со временем животные становятся больше, – интересно разобраться, когда и как это происходит.

Динозаврам потребовались десятки миллионов лет, чтобы вырасти в размерах от комнатной собачки до лося, и только через 50 млн лет после своего появления они превратились в гигантов в десятки тонн весом. Напротив, наземные млекопитающие относительно быстро, меньше чем за 10 млн лет, достигли максимальных для себя размеров. Каждый раз при заселении нового континента они достигали одного и того же размерного класса (величины слона) примерно за одно и то же время. Водные млекопитающие демонстрируют обратную тенденцию – потребовалась почти вся их эволюционная история (около 50 млн лет), чтобы появились крупнейшие киты и морские коровы.

Хоть мы и считаем наших отдаленных предков, включая австралопитеков, небольшими, на самом деле все наши вымершие родичи были примерно одного с нами размера – в одном размерном классе – после того, как они отделились от шимпанзе около 6,5 млн лет назад. Размеры ископаемых предков человека изменились в лучшем случае раза в два. Для примера: вес слонов увеличился почти в 1000 раз, если сравнить живших на территории нынешнего Египта их предков (найденных в тех же породах, которые содержат остатки базилозавра) с сибирскими мамонтами, вымершими только во времена последнего ледникового периода. Другие наземные животные, будь то грызуны или динозавры-завроподы, меняются в размерах примерно в таких же масштабах. Но киты – явно из другой категории, со времен пакицета они увеличились в размерах в 10 000 раз.

Чтобы понять, как живут гиганты – киты, огромные млекопитающие, динозавры, – стоит классифицировать последствия, к которым приводит гигантизм (то есть его достоинства и недостатки) как внутри, так и снаружи организма. Очевидное ограничение в жизни сухопутных исполинов связано с гравитацией, она ограничивает рост костей, кровообращение, дыхание и любые аспекты размножения. Внешний фактор – это пища. Через 100 млн лет динозавры-завроподы, похоже, уперлись в окончательный предел роста – около 33 м в длину. Трудно представить, как могли бы деревья удовлетворить потребности в пище даже одного стада гигантских растительноядных ящеров, не говоря уже о других видах, живущих рядом.

Очевидное достоинство большого размера – обретаемая безопасность: когда киты становятся достаточно большими, любым хищникам, будь то косатки или суперакулы далекого прошлого, становится слишком опасно, а то и вовсе бессмысленно нападать на китов. Еще одно преимущество – физиологическая эффективность. Например, с ростом размера тела передвижение вообще и миграции на дальние расстояния становятся более эффективными, то есть большие расстояния преодолеваются с пропорционально меньшими затратами энергии. Если рассматривать организм в целом, то обнаруживается множество других экологических последствий увеличения размеров тела: к примеру, крупнейшие киты настолько большие и толстые за счет запасов подкожного жира, что для них более важной задачей становится уже не удержание тепла, а отвод его через кожу. Для китов, кормящихся и плавающих в полярных водах или ныряющих на двухкилометровую глубину, жир, запасающий энергию и удерживающий тепло, – это спасение; но в более теплых широтах или на мелководье он, скорее, становится обузой. Большинство китов не задерживаются надолго в одном месте: крупные мигрируют на огромные расстояния для нагула, а это подразумевает определенную стратегию, чтобы успеть запасти в жировых отложениях максимум энергии и при этом не перегреться. Основы теплопроводности очень важны, если вы живете в воде: она отводит тепло в 90 раз быстрее, чем воздух. Знание физики позволяет рассчитать нижнюю границу размера кита, при котором он может сохранить достаточно тепла для жизни – около 7 кг. Даже у самых мелких видов вес новорожденного китенка не опускается ниже этого предела.

Оказывается, многие биологические показатели животного – как быстро бьется его сердце, сколько потомства оно производит, как долго живет – можно предсказать по его размеру, будь то современное животное или вымершее, огромное или маленькое. Мелкие млекопитающие, как правило, отличаются высоким метаболизмом, рождают много детенышей и живут недолго; крупные, в том числе киты, обычно сжигают калории медленнее, размножаются реже, а живут дольше. Математические закономерности, которые описывают подобные изменения организмов, называются аллометрией. Многие прогностические особенности аллометрических уравнений, как правило, связаны с общими физическими принципами, такими как законы рассеивания тепла или отношение площади поверхности объекта к его объему.

Рассмотрим фундаментальное ограничение отношения площади поверхности к объему: независимо от формы объекта площадь его поверхности всегда увеличивается медленнее, чем объем. Одно из первых биологических последствий такого соотношения для любого организма крупнее амебы состоит в том, что одной диффузии газа становится недостаточно, чтобы доставлять кислород во все участки тела, поэтому для выживания нужен некий механизм – например, легкие. У китов легкие, безусловно, имеются, то есть вторую задачу они решили так же, как и любое другое млекопитающее, но их легкие настолько большие и специализированные, что они создают свои затруднения. Судя по исследованиям мелких видов китов, их легкие имеют структурные изменения, которые позволяют им не только довольно быстро сжиматься, чтобы избежать проблем с плавучестью и разрывом тканей при нырянии на глубину больше полутора километров, но и быстро раздуваться при всплытии.

Наряду с дыханием, есть еще одна жизненно важная задача: киту необходимо запасти в легких столько кислорода, чтобы он мог находиться под водой до двух часов. Для решения этой задачи киты демонстрируют массу различных анатомических и физиологических эволюционных приспособлений, например высокое соотношение количества крови к объему тела, высокое количество клеток крови и повышенная концентрация гемоглобина в клетках, попросту – кровяные клетки китов могут запасать больше кислорода. (Еще один пример конвергентной эволюции: эти признаки независимо появились у таких отдаленно связанных ветвей генеалогического древа млекопитающих, как киты и тюлени.)

На суше есть еще одно фундаментальное ограничение – гравитация. По мере наращивания масштабов физика устанавливает пределы возможного для любого вида движения и функции, будь то кровоток, пищеварение или передвижение. Например, динозавры-завроподы обладали ногами-колоннами, которые поддерживали их массивный вес. Впрочем, по-видимому, для облегчения нагрузки они обзавелись птицеобразной дыхательной системой, и их скелет был пронизан воздушными мешками, как у современных птиц. Очевидно, что китам гравитация не мешает, так как они живут полностью в воде, что делает их практически невесомыми. Зато на форму их тела повлияли другие силы, например сопротивление среды.

Применение аллометрии для изучения китов, особенно усатых, в том числе самых крупных из когда-либо существовавших, помогает лучше понять не только то, что нужно для достижения гигантских размеров, но и вообще пределы возможного для живых существ.

Когда Жан Потвин применил аллометрию для расчета сопротивления на математических моделях полосатиков различного размера, он обнаружил, что при длине тела более 33 м синий кит будет недостаточно быстро закрывать пасть, заглатывая добычу, и не сможет компенсировать огромные затраты энергии на торможение и совершение рывка. Другими словами, задокументированная длина крупнейших китов в 33,22 м, по-видимому, соответствует теоретическому максимуму для синего кита.

Работа Жана частично объясняет, почему мы не видим синих китов длиной, скажем, 60 или 90 м, но, помимо биомеханики питания, есть и другие возможные причины. Например, большой размер тела должен способствовать более глубокому нырянию, но полосатики не ныряют на глубину, которую можно ожидать исходя из размеров их тела. Частично потому, что их добыча живет выше, в фотической зоне, но похоже, дело еще и в том, что энергетические затраты на кормление в их размерном классе – вызванные необходимостью заглатывать постоянно увеличивающиеся объемы воды и вдыхать достаточно кислорода при всплытии для восполнения затрат на рывок – накладывают жесткие ограничения на их размер, несмотря на все преимущества питания способом фильтрации при больших габаритах.

Отступим на шаг назад и посмотрим, что нам известно о факторах, способствовавших экстремальным размерам китов на протяжении всей их истории. Во-первых, такое анатомическое новшество, как китовый ус, появившееся около 30–25 млн лет назад, могло повысить физиологическую эффективность его первых обладателей. Однако, что касается размеров тела, это не был прорыв – первые усатые киты были ненамного больше своих зубатых предшественников. А как насчет других нововведений, особенно анатомических, таких как вентральные складки и орган чувств на подбородке? Все анатомические механизмы, которые кажутся столь важными для полосатиков, – набор эволюционных приспособлений, от новых органов до нервов-струн в горловом мешке, – вероятно, появились в конце миоцена (во времена Серро-Баллены). Они кажутся необходимыми в том смысле, что все они (как и наличие китового уса) нужны для того, чтобы быть синим китом, однако гигантизм из них не следует. Возвращаясь к предыдущей мысли: если гигантизм у китов и у других существ не объясняется исключительно внутренними факторами, тогда что там насчет внешних причин?

Как правило, горбатые киты каждый год мигрируют из тропических вод Гавайев к Аляске. Они отдыхают, спариваются и рожают детенышей в тропиках зимой, а затем, ориентируясь по звездам, магнитному полю Земли, акустическому или визуальному распознаванию или их сочетанию, – причины мы до сих пор не знаем – направляются к побережьям архипелага Александра у берегов Аляски. Они прибывают туда весной и пируют, питаясь мигрирующей сельдью. Это долгое путешествие, но оно того стоит – сегодня эти киты больше не числятся в списке исчезающих видов США, их видят часто и в больших количествах.

Однажды весной Ари и Джереми пригласили меня присоединиться к их команде на борту «Северной песни» в экспедиции по мечению горбачей. Известно, что горбачи на Аляске охотятся вместе при помощи пузырьковой сети – завесы из воздушных пузырьков, которые на глубине выпускают один или несколько китов, движущихся по кругу. Поднимаясь, пузырьки загоняют стаю рыб в цилиндр, и тогда горбачи, широко раскрыв пасти, делают рывок внутри этого цилиндра. Практически они едят рыбу из бесплотной бочки. Эти группы китов действуют скоординировано, но они не особенно стабильны, собираются и распадаются случайным образом. При этом сам способ охоты, безусловно, выучивается и передается от горбача к горбачу. Маячки – один из способов узнать больше об этом удивительном и загадочном поведении, которое некоторые ученые даже называют своего рода культурой горбатых китов.

Помимо ценной возможности пометить несколько китов, экспедиция была также поводом отложить телефон, забыть об электронной почте и целый день болтать о науке. (В основном.) А еще это был шанс продвинуть вперед некоторые междисциплинарные вопросы на пересечении изучения поведения китов и экологии, чем занимался Ари, физиологии и биомеханики, которые изучал Джереми, и палеонтологии и истории Земли в моем случае. Чтобы ответить на основные вопросы о жизни китов требуются данные из всех этих областей, а я всегда считал, что ответы лежат на пересечении этой диаграммы Венна из научных дисциплин и людей.

Мне эта экспедиция сулила и еще один бонус: пришел мой черед устанавливать маячок. Джерри собрал и вручил мне шест из углеродного волокна, на конце которого крепился кусочек неоново-розового пластика с камерами спереди и сзади, способными записывать все, что происходит в нескольких направлениях одновременно, в том числе других китов, плавающих поблизости. Шест был тяжелым и неуклюжим. Приходилось словно бы подметать воздух шестиметровой метлой с двухкилограммовым грузом на конце. А потом нужно было как-то отклониться от носа лодки, рядом с которой плывет дикое животное весом в 40 т, и закрепить на нем крошечный кусочек пластика. Я нервничал, как новичок перед первой игрой. Ари улыбался и пытался успокоить меня медленными и подробными инструкциями.

Долго гоняться за китом не пришлось. Насытившись, горбачи отдыхали, покачиваясь у поверхности воды. Ари выбрал ближайшего и потихоньку направил лодку к нему. Мышцы у меня болели оттого, что приходилось удерживать шест наготове. Затем расстояние между нами и китом стало быстро сокращаться. Ари несколько раз повторил «Можно», прежде чем я наконец решился. Я наклонился вперед, нацелился в точку прямо за спинным плавником и как смог поднял шест повыше, чтобы пришлепнуть маячок на спину. Но получился скорее тычок, чем шлепок, и кит в ответ решил нырнуть, чуть не задев нашу лодку хвостом. Я вздрогнул, когда шест неприятно скрипнул: оказалось, я его погнул.

– Ничего страшного, – улыбнулся Джереми. – Выставлю счет Смитсоновскому институту.

Мы наблюдали, как киты уплывают прочь. Потом ближайший к нам снова показался на поверхности, и, перед тем как он погрузился в глубину, я увидел у него на боку неоновый корпус.

– Эй! А маячок-то на месте! – крикнул я.

Ари просиял, и я плюхнулся на дно лодки, уставший и счастливый. Джереми быстро сделал несколько фотографий хвостовых плавников ныряющих горбачей.

Ближе к концу этого дня мы сидели на мостике «Северной Песни» с биноклями и блокнотами в руках. Пик нереста сельди на юго-востоке Аляски означает обилие пищи для хищников всех мастей. «Северная Песня» неспешно входила в канал Сеймура у внутреннего побережья архипелага. Белоголовые орланы десятками слетали с береговых елей и хватали сельдей, бьющихся у поверхности. Они летели по широкой спирали, в конце полета видя, что происходило под поверхностью воды. С высоты мостика было видно, как один, два, а затем три горбача делают рывок из глубины с широкой открытой пастью. Не то, чтобы они специально создавали пузырьковую сеть, просто охотились как получалось. Когда они закрывали рты, гофрированные горловые мешки обвисали у поверхности, киты один за другим поджимали мешки и возвращались в глубину. Оглядевшись, мы поняли, что нас окружают десятки горбатых китов, они жадно поедали другие стаи сельди вдалеке.

Это было удивительное зрелище: один за другим киты высовывали морды на поверхность: нижняя челюсть откинута вниз, как огромный совок, выдохи разносятся как гром, плавники сверкают. Бессчетное множество фонтанов окружало нас, вся бухта была полна китов. «Поразительно», – зачем-то сказал я вслух, все остальные молча любовались, некоторые опустили свои фотокамеры. Это был какой-то первобытный пейзаж, словно взятый из романа о других мирах; но на самом деле все то, что дало китам возможность наслаждаться их пиршеством, появилось на нашей планете совсем недавно. И эти факторы, объясняющие, почему мы сейчас живем в эпоху гигантов, связаны с ледниками, обрамляющими горы вдали.

Рассмотрев все возможности, мы пришли к выводу, что явный сдвиг размеров усатых китов в сторону гигантизма произошел в последние 4,5 млн лет. Грэхем Слейтер провел ряд математических расчетов, чтобы выяснить, можно ли объяснить наши данные какими-то другими моделями – более ранним началом резкого увеличения размеров, тенденцией к частому сохранению мелких китов или просто распространением этой черты в течение миллионов лет, и обнаружил, что скачок в размерах, видимо, действительно произошел относительно недавно. Иными словами, резкое увеличение размеров тела – то, что делает китов замечательными во многих отношениях, – произошло на совсем недавнем отрезке их эволюционной истории.

Это важный этап истории Земли, он знаменует начало глубоких изменений в океанах во время ледникового периода около 2,5 млн лет назад. Этот этап длится и сейчас – чередование ледниковых и межледниковых периодов, сменяющих друг друга в зависимости от периодического колебания оси Земли и изменения ее орбиты относительно Солнца. На суше наступление и отступление ледяного покрова к широтам Сиэтла, Чикаго и Вашингтона означало сезонные периоды таяния и замерзания, которые увеличивали количество донных отложений рек, впадающих в море. В сочетании с более сильными ветрами, также способствовавшими возникновению апвеллингов, эти изменения в океанах создают почву для недолговечных, но плотных скоплений зоопланктона, которые делают прибрежные моря очень продуктивными в определенное время года (например, стаи криля достигают максимума в летние месяцы независимо от полушария). Иными словами, величественный мир китов, который мы наблюдаем сегодня на Аляске, в заливе Монтерей в Калифорнии или в заповеднике Стеллваген-Бэнк у побережья Массачусетса, возник благодаря недавним периодам оледенения. То, что добыча концентрируется на меньшей площади и на более короткое время – следствие ледниковых периодов.

Чтобы восполнить энергетические затраты, крупнейшие из полосатиков, например синие киты, стараются получать как можно больше от каждого рывка и ищут места наибольшей плотности добычи. А поскольку плотность корма не везде одинакова, наибольшую эффективность фильтрации начинают определять анатомические особенности, обеспечивающие координацию рывков. Однако заметим, что не только полосатики умеют пользоваться высокой плотностью добычи; крупные размеры других китов-фильтраторов, например гладких и гренландских, дают им те же преимущества.

Крупные киты, как мы уже говорили, более эффективно перемещаются на дальние расстояния и отгоняют хищников по пути, а увеличившийся размер горлового мешка (и пасти) позволяет им максимизировать добычу от одного рывка. Неравномерная доступность пищи в морях ледникового периода объясняет, почему многие усатые киты, похоже, резко увеличились в размерах в последние 4,5 млн лет – за небольшой период их более чем 50-миллионолетней истории.

Китов сделала огромными окружающая среда, те миры, в которых они когда-то жили. Но, например, у наземных млекопитающих большой размер тела в современных условиях коррелирует с повышенным риском вымирания. Экстремальный размер может привести к гиперспециализации, поддержание которой требует огромных ресурсов. Будучи самыми большими созданиями на планете, киты балансируют на острой грани между необходимой и опасной адаптацией к среде. В условиях, когда окружающая среда быстро меняется, огромный размер может стать для них проблемой, а стремительные изменения в их мире происходят «благодаря» поведению нашего с вами вида. Насколько успешно киты и люди совместно переживут эпоху гигантов, мы пока не знаем – эта глава истории Земли еще только пишется.