Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции

Извержения вулканов вызывали выброс в атмосферу метана, углекислого газа и других вредных газов, разрушавших озоновый слой и в итоге приведших к установлению на планете гораздо более теплого и сухого климата. Через весь суперконтинент Пангею протянулись обширные сухие равнины. Великие угленосные болота предшествующих периодов, каменноугольного и пермского, высохли, и отложившийся в них уголь полетел по ветру, реагируя с кислородом и делая сам воздух малопригодным для жизни. За десять миллионов лет уровень кислорода медленно, но неуклонно падал — с 30 % до минимума, составившего менее 15 %. Сочетание потепления воды (снижавшего растворимость кислорода), падения уровня атмосферного кислорода и повышения уровня углекислого газа привело к гибели большинства морских организмов. Процветали лишь ядовитые бактерии, преобладавшие на нашей планете задолго до эпохи животных и растений и теперь вновь в огромных количествах выделявшие токсичный сероводород. Газы, испускаемые мертвеющими океанами, отравляли атмосферу еще сильнее, вызывая гибель населения суши. И тогда судьба нанесла еще ряд сокрушительных ударов: раз за разом на протяжении пяти миллионов лет несли смерть извержения — те самые, что вызвали образование Сибирских траппов. В морях и на суше оставалось мало живого, и надежда забрезжила лишь потом.

Кто же выжил? Любопытно, что и в морях, и на суше это удалось тем, кто обладал одним и тем же свойством — лучше других умел дышать, перенося низкий уровень кислорода, высокий уровень углекислого газа и присутствие жуткой смеси из вредоносных газов. Это были те, кто мог задерживать дыхание, но сохранять активность: те, кто обитал в пещерах и норах, в грязи, в болотах, в иле, кто питался чем придется и жил в местах, где никому другому жить не хотелось. «Слизких тварей миллион» выжил, и с ними выжили наши предки. Именно поэтому знаменательно, что первыми наземными животными, восстановившимися после того великого вымирания, были листрозавры — норные рептилии с грудью колесом, с мускулистой диафрагмой, с твердым небом, с расширенными дыхательными каналами и с носовыми раковинами. Они вылезли, пыхтя, из своих душных нор и разбрелись по опустевшей суше как белки по лесу.

Рис. 8.2. Реконструкция системы воздушных мешков динозавра Majungatholus atopus в сравнении с системой воздушных мешков современных птиц. В обоих случаях легкие обслуживаются передними и задними воздушными мешками, следы которых, сохранившиеся в костях динозавров, полностью соответствуют расположению этих мешков у птиц. Воздушные мешки работают как мехи, прокачивая воздух сквозь неподвижные легкие.

Эта удивительная история, записанная в горных породах на языке химии, длилась миллионы лет и определила ход триасового периода. Токсичные газы исчезли из атмосферы, но уровень углекислого газа по-прежнему зашкаливал — он был в десять раз выше, чем в наши дни. Концентрация кислорода в атмосфере упорно держалась ниже отметки 15 %, и климат оставался засушливым. Даже тем, кто жил на уровне моря, приходилось довольствоваться воздухом, в одном глотке которого было столько же кислорода, сколько сегодня бывает лишь высоко в горах. Именно в таком мире жили первые динозавры, вставшие на задние ноги и освободившие свои легкие от тех ограничений, с которыми сталкиваются ползающие по земле ящерицы, неспособные одновременно бегать и дышать. Прибавьте к этому воздушные мешки и аспирационный насос, и расцвет динозавров покажется неизбежным. Обо всем этом подробно и убедительно рассказывает палеонтолог Питер Уорд из Вашингтонского университета в Сиэтле в своей замечательной книге «Порождения скудного воздуха». Уорд утверждает (и я ему верю), что секрет успеха архозавров, в итоге вытеснивших цинодонтов, состоял в том, что их легкие были разделены на септы: это давало архозаврам возможность преобразовать их в удивительную систему со сквозным потоком воздуха, которой сегодня пользуются птицы. Тероподы стали единственными животными на планете, не страдавшими от недостатка кислорода. Поэтому и носовые раковины были им не особенно нужны.

Итак, повышенная выносливость была не дополнительным бонусом, а жизненно важным свойством, счастливым лотерейным билетом, позволившим тем, кому он достался, пережить тяжелейшие времена. Но здесь я вынужден поспорить с Уордом. Я согласен, что высокая аэробная мощность должна была оказаться ключом к выживанию, но действительно ли она должна быть сопряжена с высокой интенсивностью обмена веществ в состоянии покоя? Уорд, ссылаясь на гипотезу аэробной мощности, считает именно так, но почему-то ничего подобного не происходит в наши дни с животными, обитающими высоко в горах. Напротив, их мышечная масса обычно уменьшается, и в выигрыше оказываются самые жилистые из этих существ. Хотя их аэробная мощность и бывает повышена, интенсивность обмена в покое вовсе не повышается вместе с ней — напротив, она может даже снижаться. В тяжелые времена физиология должна быть экономнее.

Действительно ли в триасе, когда главной задачей было выжить, животные без нужды повышали интенсивность своего обмена в покое? В этом трудно не усомниться. Судя по всему, тероподы повысили свою аэробную мощность, не сделавшись при этом по-настоящему теплокровными, по крайней мере сначала. При этом побежденные цинодонты, похоже, все-таки стали теплокровными. Было ли это одной из последних отчаянных попыток преуспеть в борьбе с грозными архозаврами? Или же это помогло им сохранять активность, уменьшившись в размерах и перейдя к ночному образу жизни? Оба варианта выглядят вполне правдоподобными, но мне еще больше нравится третий, который, возможно, помогает ответить также на вопрос, почему динозавры поступили прямо обратным образом: выросли в гигантов, подобных которым свет не видывал ни до, ни после.

В вегетарианцах меня часто раздражает их чувство морального превосходства. Хотя, быть может, во мне говорит чувство вины, связанное с собственной плотоядностью. Но если верить одной не самой известной, но весьма важной статье, опубликованной в 2008 году в не самом известном журнале «Эколоджи леттерс», у вегетарианцев могут иметься и более весомые основания для гордости, чем общеизвестные. Если бы не вегетарианцы (не нынешние, а их предшественники — древние растительноядные животные), наши предки, может, никогда бы не пришли к теплокровности и связанному с ней быстрому темпу жизни. Марсель Классен и Барт Нолет из Нидерландского института экологии — авторы упомянутой статьи — весьма успешно применили счетоводческий (по-научному — стехиометрический) подход к выяснению различий между животной и растительной пищей.

Услышав словосочетание «белковая пища», многие наверняка представят себе сочный бифштекс. Действительно, белки и мясо в нашем сознании крепко связаны друг с другом (благодаря, надо полагать, бесконечным кулинарным телепередачам и руководствам по похудению). Чтобы снабжать организм белками, нужно есть мясо, а если вы вегетарианец — то орехи и семена, особенно семена бобовых. В целом для вегетарианцев характерно большее внимание к составу своего рациона, чем для мясоедов. Белковую пищу нужно есть, чтобы получать достаточно азота, а это, в свою очередь, необходимо для синтеза наших собственных белков, а также ДНК, которая тоже содержит много азота. На самом деле поддерживать сбалансированный рацион не так уж сложно даже вегетарианцам, но ведь мы — животные теплокровные, а это означает, что мы в любом случае едим много. Классен и Нолет отмечают, что к холоднокровным животным это не относится. Их холоднокровность означает, что они едят не так уж много, и из-за этого у них возникает одна интересная проблема.

Современных растительноядных ящериц очень мало, а среди 3,4 тысячи видов змей нет и вовсе ни одного растительноядного. Некоторые ящерицы все же специализируются на растительной пище, но для них обычно характерны или довольно крупные размеры (зеленые игуаны), или более высокая активность, а также более высокая температура тела по сравнению с плотоядными ящерицами. В отличие от плотоядных ящериц, в случае надобности быстро снижающих температуру тела и погружающихся в оцепенение, растительноядные ящерицы не обладают подобной гибкостью и не позволяют себе расслабляться. Традиционно это связывали с трудностями переваривания растительной пищи, которое осуществляется с помощью кишечных микробов, способных расщеплять ее особо стойкие компоненты (этот процесс гораздо лучше идет при высоких температурах). Но Классен и Нолет утверждают, что здесь может быть и другая причина, связанная с низким содержанием азота в обычной растительной пище. Исследователи рассчитали количество азота, содержащегося в различных продуктах питания ящериц, и убедились, что у растительноядных ящериц с этим действительно связана серьезная проблема.

Представьте, что вы питаетесь только растительной пищей, содержащей мало азота. Как обеспечить себя азотом? Можно, конечно, попытаться разнообразить рацион, искать падаль, грызть семечки и так далее, но и этого может оказаться недостаточно. Но можно просто есть больше. Если, съедая корзину листьев, вы удовлетворяете, например, пятую часть суточной потребности организма в азоте, значит, нужно съедать ежедневно пять корзин листьев. Но тогда вы будете получать избыток углеводов, которыми богата растительная пища, и от них нужно будет как-то избавляться. Как? Сжигать, — предлагают Классен и Нолет. Теплокровные животные легко могут себе позволить чисто растительный рацион, потому что так или иначе все время сжигают углеводы корзинами, но для холоднокровных это всегда проблематично. Теперь вернемся к листрозаврам, которые были растительноядными, и цинодонтам, среди которых были и растительноядные, и плотоядные. Не могла ли теплокровность развиться у цинодонтов оттого, что они уже обладали высокой аэробной мощностью (которая в те трудные времена была им жизненно необходима) в сочетании с рационом, богатым растительной пищей? Когда же у этих древних растительноядных выработалась теплокровность, они вполне могли воспользоваться преимуществами связанного с ней дополнительного притока энергии, чтобы быстро нарастить свою численность, преодолевая многие мили по засушливым триасовым равнинам в поисках пищи или спасаясь от хищников. У хищников, вероятно, не было столь насущной потребности в теплокровности, связанной с питанием, но им приходилось держаться наравне с оснащенными турбонагревателем травоядными. Возможно, что теплокровность понадобилась им просто потому, что иначе им было не угнаться за Черной Королевой, обернувшейся теплокровной вегетарианкой.

А как обстояли дела у гигантских динозавров — самых известных из древних растительноядных? Можно предположить, что они решили ту же проблему иначе. Если съедать пять корзин листьев в день, но не сжигать их постоянно, можно просто накапливать где-то потребляемую пищу, то есть увеличивать размер тела! Гиганты не только обладают большей «вместимостью», но и всегда отличаются более низкой интенсивностью обмена веществ, а значит и более медленным оборотом белков и ДНК и, следовательно, меньшей потребностью в азоте. Итак, есть два способа успешно придерживаться рациона, богатого растительной пищей: крупные размеры в сочетании с замедленным обменом веществ или маленькие размеры в сочетании с ускоренным обменом веществ. О многом говорит факт, что и современные растительноядные ящерицы всегда выбирают одну из этих двух стратегий, хотя низкая аэробная мощность не дает им стать по-настоящему теплокровными. (Как предки этих ящериц пережили пермское вымирание — вопрос, который мы здесь обсуждать не будем.)

Но почему только динозавры стали такими огромными? На этот вопрос никто пока не дал достаточно убедительного ответа, хотя многие пытались. Джаред Даймонд и его коллеги в статье, опубликованной в 2001 году и посвященной другим вопросам, попутно высказали идею, что ответ вполне может крыться в повышенном уровне углекислого газа в атмосфере тех времен, что, по-видимому, увеличивало первичную продукцию, то есть скорость роста растений. Однако Даймонд не рассматривал сторону вопроса, связанную с азотом, которую осветили Классен и Нолет. Высокий уровень углекислого газа действительно повышает первичную продукцию, но одновременно и понижает содержание азота в тканях растений. Этим вопросом занимается недавно возникшая отрасль исследований, связанных с возможным влиянием нынешнего повышения уровня углекислого газа на режим питания нашей планеты. Итак, проблема, стоявшая перед цинодонтами и динозаврами, была еще острее, чем та, что стоит сегодня перед ящерицами: в те времена растительноядным животным для удовлетворения потребности в азоте нужно было есть еще больше. Строгим же вегетарианцам, должно быть, и вовсе приходилось поглощать пищу в огромных количествах.