Звери до нас. Нерассказанная история происхождения млекопитающих - Эльза Панчироли

Наиболее очевидное первоначальное свидетельство повышения температуры тела – изменение структуры тела. Как мы уже видели, плечи и бедра терапсидов изменились таким образом, что их ноги подтягивались ближе к телу, приподнимая их дальше от земли и делая более подвижными. Таким образом, возросшая активность стала физически возможной. Их походка полностью отличалась от походки их предков, обеспечивая ловкость и маневренность. Такого рода модификации идут рука об руку с возникновением пищевой цепочки, в которой есть охотники и те, на кого ведется охота. Приподнятость над землей также давала возможность дышать в буквальном смысле этого слова. Всем активным животным нужно больше дышать, чтобы поддерживать свою активность: кислород подпитывает внутренний огонь.

Вы когда-нибудь заглядывали собаке в нос? Внутри него спрятан еще один ключ к пониманию эндотермии, который связан с их потребностью в большем количестве воздуха. Когда теплокровное животное дышит чаще, оно сталкивается с тем же риском, что и первые четвероногие в каменноугольном периоде: потерей воды. Как всем прекрасно известно, мы можем какое-то время прожить без пищи, но не без воды, потому что обезвоживание мешает клеткам и органам функционировать должным образом. Поскольку во время физической активности выдыхается теплый влажный воздух, теряются тепло и влага, что представляет опасность для организма. Млекопитающие и птицы решили эту проблему с помощью выростов внутри носа, называемых носовыми раковинами

Носовые раковины похожи на складки внутри носа. Они состоят из кости или хряща и покрыты влажной слизистой оболочкой. Существует два типа носовых раковин: обонятельные, которые используются для определения запаха, и дыхательные, которые играют ключевую роль в дыхании. Когда через них проходит воздух, они повторно поглощают тепло и влагу, которые в противном случае были бы потеряны организмом.

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