Новая история происхождения жизни на Земле

Киршвинк Джозеф

Главной проблемой, которая всех занимает в разговорах о динозаврах, является вопрос их вымирания. Люди постоянно обсуждают теорию Альвареса 1980-х годов о падении 65 млн лет назад гигантского астероида, которое привело к мел-палеогеновому вымиранию, коснувшемуся в первую очередь именно динозавров. Каждые несколько лет обнаруживаются какие-нибудь новые факты, постоянно подогревающие интерес к данному вопросу. Разговоры о проблеме вымирания динозавров хоронят под собой попытки обсуждения их теплокровности, например, Наименее захватывающий из всех, в самом низу списка вопросов о динозаврах, стоит «антипод» вопроса о вымирании: почему и как динозавры вообще появились? Разумеется, нам известно, когда они появились: во второй трети триасового периода (около 235 млн лет назад). И конечно, мы знаем, как эти первые динозавры выглядели: многие походили на своих огромных «классических» потомков — тираннозавров и аллозавров, двуногие формы, которые быстро обрели большие размеры. Но вот что мало кому известно и редко обсуждается даже в среде специалистов, это факт, что 230 млн лет назад уровень кислорода опустился, возможно, до самых низких своих показателей

со времен кембрия.

Так почему же все-таки динозавры? Сегодня имеется несколько вариантов ответа на этот вопрос. Динозавры появились, потому что было пермское вымирание, которое открыло дорогу эволюции новых форм. Динозавры появились, потому что у них развилась структура тела, весьма эффективная для выживания в триасовый период. Однако эти выводы кажутся недостаточными. Палеонтолог из Чикаго Пол Серено, который обнаружил образцы самых древних ископаемых динозавров, а происхождение динозавров является его основным научным интересом, пытается посмотреть на проблему под другим углом. В 1999 году он выпустил книгу The Evolution of Dinosaurs («Эволюция динозавров»), в которой, в частности, отметил: «На сегодняшний день происхождение динозавров на суше в конце триаса выглядит таким же случайным, как и их гибель и вытеснение млекопитающими в конце мелового периода». Пол Серено предполагает, что развитие динозавров с момента их появления было очень медленным и начиналось с совсем малого количества видов. Это мнение серьезно отличается от привычных представлений о том, как работает эволюция, если появляется новый и потенциально успешный морфологический тип: сначала происходит «взрыв», интенсивная апробация новыми видами анатомической находки в течение относительно краткого периода. С динозаврами, оказывается, было не так. Серено пишет: «Биологическая радиация динозавров, начавшаяся с двуногих существ не более одного метра в длину, проходила медленнее, и в ней слабее, по сравнению с млекопитающими, проявлялась адаптивность форм к окружающей среде».

Миллионы лет разнообразие динозавров, как и прочих сухопутных позвоночных, оставалось относительно небольшим, что для Серено и других исследователей все еще непонятно. Теперь эту странность вполне можно объяснить.

В истории развития жизни животных на Земле повторяется одно и то же соотношение уровней атмосферного кислорода и разнообразия видов, а также их размеров: во времена, когда уровень кислорода низкий, разнообразие и размеры существ также невелики, и наоборот. По-видимому, то же самое произошло и с динозаврами. В 2006 году Питер Уорд в книге Out of Thin Air («Как будто из ниоткуда») впервые со всей очевидностью показал взаимосвязь размеров и форм динозавров и уровней кислорода.

Если разнообразие динозавров действительно зависело от количества кислорода в атмосфере, то чрезвычайно малое количество данного вещества в атмосфере позднего триаса полностью объясняет медленное развитие видового разнообразия этих организмов с момента их появления.

Период низкого уровня кислорода стал временем гибели многих видов животных (хотя при этом эволюция энергичнее экспериментировала), подтверждения тому можно обнаружить при сравнении показателей атмосферного кислорода и разнообразия видов динозавров в интервале от начала триаса и до конца мелового периода. Палеонтолог и специалист по осадочным породам Дэвид Фастовски и его коллеги опубликовали в 2005 году работу, в которой показано, что таксономический состав динозавров оставался неизменным, начиная с момента появления первых динозавров второй половины триаса и до конца первой половины юрского периода. Только в конце юрского периода число динозавров заметно возросло, и этот рост неуклонно продолжался до конца мелового периода, за исключением кратковременного затишья в начале последней трети мела.

К концу мелового периода, 84–72 млн лет назад (так называемый кампанский ярус верхнего мела), существовало в сотни раз больше динозавров, чем в триасовом и юрском периодах. Что стало причиной такого мощного прорыва в развитии?

Можно предположить, что и здесь свою роль сыграло изменение ситуации с кислородом. В позднем триасе и первой половине юры число динозавров было небольшим и оставалось неизменным, так же как и количество атмосферного кислорода (по сравнению с современным состоянием). Постепенно в юрском периоде уровень кислорода повышался, достигнув отметки 15 %, а затем и 20 % на последних временных этапах данного периода. И лишь тогда стало возрастать количество видов динозавров. Количество атмосферного кислорода постепенно увеличивалось, и в течение мелового периода то же самое происходило с динозаврами. Вторая половина мелового периода была настоящим «золотым веком» динозавров. Конец юрского периода, когда произошло заметное повышение уровня кислорода, стал также временем увеличения размеров динозавров, тогда появились самые крупные динозавры из всех известных, которые просуществовали вплоть до конца мела.

Разумеется, для процветания динозавров в меловом периоде имелись и другие причины. Например, в середине мела произошла революция в мире растений — появились покрытосеменные (цветковые) формы, которые в конце мелового периода в значительной степени вытеснили хвойные, доминировавшие в юрском периоде. Распространение цветковых привело к увеличению количества растений, а это стимулировало развитие видового разнообразия насекомых. Во всех экосистемах наблюдалось большое разнообразие ресурсов, что могло послужить причиной развития разнообразия в принципе. Однако связь между уровнем кислорода и разнообразием живых существ, а также уровнем кислорода и размерами животных постоянно прослеживается у всех групп организмов — от насекомых до рыб, от рептилий до млекопитающих. Так почему же динозаврам быть исключением?

Динозавры появились в тот период (или непосредственно перед тем), когда уровень кислорода

в триасе достиг своего минимума (около 10–12 %, сегодня такие показатели можно встретить на высоте 4500 м над уровнем моря). Это был самый низкий уровень за последние 500 млн лет. В качестве реакции многие животные изменили строение своих тел, динозавры тоже. Морфологически динозавры совершенно не похожи на более ранних пресмыкающихся, и появились они в период почти смертельной жары (очень высоких мировых температур) и резкого дефицита кислорода. Возможно, это совпадение, но едва ли, поскольку появление многих признаков «динозавровости» может быть объяснено стремлением адаптироваться к дефициту кислорода. Изначально анатомия динозавров (возникшая из анатомии ящерообразных вроде ставрикозавра или более раннего герреразавра) была в некоторой степени реакцией на недостаток кислорода в среднем триасе, иными словами, строение тела динозавров, в том числе двуногость, своим происхождением обязано именно дефициту кислорода. Двуногость первых динозавров позволила преодолеть проблему дыхания, которая имелась у более ранних рептилий в соответствии с ограничением Каррьера. Таким образом, недостаток кислорода привел к появлению динозавров за счет эволюции определенного морфологического типа тела. Условия обитания в мире, где в атмосфере содержится всего 10 % кислорода, совершенно неверно представляются. Это количество кислорода, существующее, например, на высоте самых высоких вулканов на Гавайях, где находится обсерватория Кека, — здешние астрономы расскажут вам многое о быстрой утомляемости и потере умственной концентрации в условиях дефицита кислорода. Однако невозможно хорошо понять, что представлял собой мир позднего триаса, если просто сравнить его с состоянием атмосферы на больших высотах, поскольку там не хватает не только кислорода — там возникает недостаток всех газов. Один из этих газов — водяной пар, который имеет непосредственное влияние на развитие птичьих яиц на большой высоте. К недостатку кислорода — самому важному ограничителю эволюции сухопутных организмов — в позднем триасе следовало приспособиться весьма основательно, вот и появились первые динозавры. Все они были сначала двуногими, у них была принципиально новая система дыхания — с учетом недостатка кислорода самая эффективная на тот момент. Существа, которые пришли к нам из тех времен и которых мы называем птицами, до сих пор сохраняют черты того эволюционного прорыва.

Первые настоящие динозавры, судя по фоссилиям, были двуногими и произошли от примитивных двуногих архозавроморфов в первой половине триаса. Те архозавроморфы были также предками крокодилов и, возможно, являлись теплокровными или, по крайней мере, развивались в этом направлении. В данной группе организмов двуногие являлись преобладающим морфологическим типом, и какое-то время существовали даже двуногие крокодилы. Почему двуногие? Как это помогло приспособиться к недостатку кислорода?

Современные ящерицы не могут дышать при беге, а у них были сотни миллионов лет, чтобы завоевать себе такое право. Такое физиологическое ограничение возникло у них из-за «лежачего» положения тела. Современные млекопитающие демонстрируют определенный синхронный ритм движений конечностей и дыхания. У лошадей, кроликов, гепардов и многих других один вдох приходится на один шаг. Их конечности находятся полностью под корпусом тела, и поэтому позвоночник данных четвероногих млекопитающих в основном неподвижен в отличие от позвоночника ползающих рептилий. Позвоночник млекопитающих слегка изогнут книзу, а при беге выпрямляется, и такое движение вверх-вниз скоординировано с вдохом и выдохом. Такая система, впрочем, появилась только у настоящих млекопитающих, в триасе. Даже самые развитые цинодонты триаса не имели полностью поднятого на опорные конечности туловища и поэтому, вероятно, испытывали неудобство или даже страдание, если пытались бежать и дышать одновременно.

Если существо передвигается на двух, а не на четырех ногах, движение слабо затрагивает работу ребер и легких, дыхание и передвижение механически не взаимосвязаны. Двуногие могут делать столько вдохов-выдохов, сколько потребуется, даже при быстром беге. Во времена дефицита кислорода, но хорошо развитых отношений «охотник — жертва» даже незначительное преимущество либо в преследовании добычи, либо в убегании от хищника существенно повышало способность к выживанию. Ползающие хищники позднего пермского периода, например, ужасные горгонопсы, нападали, как и большинство хищников того периода и более ранних времен, из засады, как все современные ящерицы. Хищники, которые ищут и преследуют добычу, должны иметь большую скорость и выносливость. Что стало с другими животными триаса, когда они поняли, что впервые в истории хищники энергично рыщут в поисках поживы, а не прячутся, поджидая жертву?

Крокодилы и динозавры произошли от общего четвероногого предка, жившего в триасовом периоде. Вероятно, это существо было пресмыкающимся из Южной Африки — эупаркерией. В классификации группа этих животных имеет название Ornithodira, и с самого начала своего существования в ней стали развиваться признаки двуногости. Данный процесс можно проследить по лодыжкам в останках животных данной группы — эти сочленения эволюционировали из сложных систем, свойственных четвероногим, до простого шарнирного сустава. Такое устройство лапы, постепенное удлинение задних конечностей по отношению к передним, а также удлинение шеи, которая приобрела форму сглаженной буквы «S», — все это свидетельствует о неуклонном развитии устройства тела, характерного для двуногих. В дальнейшем Ornithodira разделились на две четко разграниченные определенными признаками группы. Одна улетела в небеса — птерозавры. Возможно, первыми из них были склеромохлусы из позднего триаса. Эти все еще сухопутные создания, по всей вероятности, очень быстро бегали, а затем научились недолго планировать между прыжками, чему способствовали складки кожи между передними и задними конечностями. Самый древний по-настоящему летающий птерозавр также относится к позднему триасу и называется эудиморфодон.