Химические подсказки раскрывают метаболизм динозавров
На протяжении десятилетий палеонтологи спорили, были ли динозавры теплокровными животными, как современные млекопитающие и птицы, или хладнокровными, как современные рептилии. Знание того, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, может дать подсказки о том, насколько они были активны и какова была их повседневная жизнь, но методы определения их теплокровности или хладнокровности — насколько быстро их метаболизм мог превращать кислород в энергию — были безрезультатными.
В новой статье в журнале Nature ученые раскрывают новый метод изучения скорости метаболизма динозавров, используя подсказки в их костях, которые показывают, сколько дышали отдельные животные в последний час своей жизни.
«Нас, как палеонтологов, это очень волнует: вопрос о том, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, — один из старейших вопросов в палеонтологии, и теперь мы думаем, что пришли к единому мнению, что большинство динозавров были теплокровными», — говорит Ясмина Виманн, ведущий автор статьи и научный сотрудник Калифорнийского технологического института.
Новый метод, разработанный Ясминой Виманн, позволяет нам напрямую делать выводы о метаболизме вымерших организмов, о чем мы только мечтали всего несколько лет назад», — говорит Маттео Фаббри, один из авторов исследования.
Люди иногда говорят об обмене веществ с точки зрения того, как легко кому-то оставаться в форме, но по своей сути «обмен веществ — это то, насколько эффективно мы преобразуем кислород, которым мы дышим, в химическую энергию, которая подпитывает наше тело.
Животные с высокой скоростью метаболизма эндотермичны или теплокровны; теплокровные животные, такие как птицы и млекопитающие, потребляют много кислорода и должны сжигать много калорий, чтобы поддерживать температуру тела и оставаться активными.
Холоднокровные или экзотермические животные, такие как рептилии, меньше дышат и меньше едят. Их образ жизни менее энергетически затратен, чем у теплокровных животных, но за это приходится платить: хладнокровные животные зависят от внешнего мира, чтобы поддерживать температуру своего тела, необходимую для функционирования (как ящерица, греющаяся на солнце) и они, как правило, менее активны, чем теплокровные существа.
Поскольку птицы были теплокровными, а рептилии — хладнокровными, динозавры оказались в центре спора. Птицы — единственные динозавры, которые пережили массовое вымирание в конце мелового периода, но динозавры (и, соответственно, птицы) технически являются рептилиями — помимо птиц, их ближайшими живыми родственниками являются крокодилы и аллигаторы. Так что делает динозавров теплокровными или хладнокровными?
Ученые пытались определить скорость метаболизма динозавров на основе химического и остеогистологического анализа их костей. «В прошлом люди изучали кости динозавров с помощью изотопной геохимии, которая в основном работает как палеотермометр, — говорит Ясмина Виманн.
Исследователи изучают минералы в окаменелостях и определяют, при каких температурах эти минералы будут формироваться. — Это действительно классный подход и он был действительно революционным, когда появился, и он продолжает давать очень интересные сведения о физиологии вымерших животных. Но мы поняли, что мы еще не совсем понимаем, как процессы окаменения изменяют изотопные сигналы, которые мы улавливаем, поэтому трудно однозначно сравнить данные окаменелостей с современными животными».
Еще один метод изучения метаболизма — скорость роста. «Если вы посмотрите на поперечное сечение костной ткани динозавра, вы увидите ряд линий, похожих на годичные кольца деревьев, которые соответствуют годам роста», — говорит Маттео Фаббри. «Вы можете посчитать линии роста и расстояние между ними, чтобы увидеть, как быстро рос динозавр.
Ограничение зависит от того, как вы преобразуете оценки скорости роста в метаболизм: рост быстрее или медленнее может иметь больше общего со стадией жизни животного, чем с его метаболизмом, например, как мы растем быстрее, когда мы молоды, и медленнее, когда мы старше».
Новый метод, предложенный Виманн, Фаббри и их коллегами, не учитывает минералы, присутствующие в костях, или скорость роста динозавра. Вместо этого они рассматривают один из самых основных признаков метаболизма: использование кислорода.
Когда животные дышат, образуются побочные продукты, которые реагируют с белками, сахарами и липидами, оставляя после себя молекулярные «отходы». Эти отходы чрезвычайно стабильны и нерастворимы в воде, поэтому они сохраняются в процессе окаменения. Они оставляют после себя записи о том, сколько кислорода вдыхал динозавр и, следовательно, скорость его метаболизма.
Исследователи искали эти частицы молекулярных отходов в темных ископаемых бедренных костях, потому что темные цвета указывают на сохранение большого количества органического вещества. Они исследовали окаменелости с помощью рамановской инфракрасной спектроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье — «эти методы работают как лазерные микроскопы, мы можем определить количество этих молекулярных маркеров, которые говорят нам о скорости метаболизма», — говорит Ясмина Виманн. «Это особенно привлекательный метод для палеонтологов, потому что он неразрушающий».
Команда ученых проанализировала бедренные кости 55 различных групп животных, включая динозавров, их летающих родственников птерозавров, их более дальних морских родственников плезиозавров и современных птиц, млекопитающих и ящериц. Они сравнили количество молекулярных побочных продуктов, связанных с дыханием, с известной скоростью метаболизма живых животных и использовали эти данные, чтобы сделать вывод о скорости метаболизма вымерших животных.
Исследователи обнаружили, что скорость метаболизма динозавров в целом была высокой.
Есть две большие группы динозавров, ящеротазовые и птицетазовые — с бедрами «ящерицы» и бедрами «птиц». Ящеротазовые динозавры, такие как трицератопс и стегозавр, имели низкую скорость метаболизма, сравнимую с таковой у хладнокровных современных животных.
Динозавры с птичьими бедрами, в том числе тероподы и зауроподы — двуногие, более похожие на птиц хищные динозавры, такие как велоцираптор и тираннозавр, и гигантские травоядные с длинной шеей, такие как брахиозавр, — были теплокровными или даже горячими. Исследователи были удивлены, обнаружив, что некоторые из этих динозавров были не просто теплокровными — их скорость метаболизма была сравнима с современными птицами, и намного выше, чем у млекопитающих. Эти результаты дополняют предыдущие независимые наблюдения, которые намекали на такие тенденции, но не могли предоставить прямых доказательств.
Эти результаты, говорят исследователи, могут дать нам принципиально новое представление о том, на что была похожа жизнь динозавров.
«Динозавры с более низким уровнем метаболизма в какой-то степени зависели от внешней температуры», — говорит Ясмина Виманн. «Ящерицы и черепахи сидят на солнце и греются, и нам, возможно, придется рассмотреть подобную «поведенческую» терморегуляцию у птицетазовых с исключительно низким уровнем метаболизма».
С другой стороны, говорит она, теплокровные динозавры были бы более активны, и им нужно было бы много есть.
Горячие гигантские зауроподы были травоядными, и для питания этой метаболической системы требовалось много растительного вещества. У них была очень эффективная пищеварительная система, и, поскольку они были такими большими, для них, вероятно, было больше проблем с охлаждением, чем с нагревом. Между тем, динозавры-тероподы — группа, в которую входят птицы, — развили высокий метаболизм еще до того, как некоторые из их представителей научились летать.
Новое исследование не только дает представление о том, какими были динозавры, но и помогает лучше понять мир вокруг нас сегодня. Динозавры, за исключением птиц, исчезли в результате массового вымирания 65 миллионов лет назад, когда на Землю упал астероид.
«Наличие высокой скорости метаболизма обычно считается одним из ключевых преимуществ, когда речь заходит о выживании при массовых вымираниях и успешном последующем выживании», — говорит Ясмина Виманн. Некоторые ученые предположили, что птицы выжили из-за повышенной метаболической способности птиц, в то время как нептичьи динозавры погибли. Но новое исследование, по словам ученых, помогает показать, что это неправда: многие динозавры с птицеподобными, исключительными метаболическими способностями вымерли.
«Мы живем в эпоху шестого массового вымирания, — говорит Ясмина Виманн, — поэтому для нас важно понять, как современные и вымершие животные физиологически реагировали на предыдущие изменения климата и экологические потрясения, чтобы прошлое могло способствовать сохранению биоразнообразия в настоящем и будущем».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.