Мобилизация организма. На что способно наше тело в экстремальных условиях - Ханнс-Кристиан Гунга

собрания природных древностей Штутгарта; этот Фраас был первым ученым, который занялся раскопками мест находок зауропод в Восточной Африке, на территории современной Танзании. В 1906 году один горный инженер, работавший в Тендагуру, в Восточной Африке, наткнулся в горах на исполинские кости. Профессор Эберхард Фраас, признанный немецкий специалист по динозаврам мезозоя, сделал по дороге крюк, чтобы осмотреть находку. В то время эти области в Восточной Африке были частью немецких колоний так же, как Камерун и германская Юго-Западная Африка. Особые отряды охраняли границы этих стран и обеспечивали сопровождение экспедиций, в том числе и экспедиции Фрааса. С великим трудом и с таким же великим безрассудством они подавляли восстания местных туземцев, отчасти это носило характер геноцида, как это было и в 1904 году при подавлении восстания герреро в немецкой Юго-Западной Африке. Тогда, в конце шестидесятых, когда я читал эти рассказы в «Космосе», я ничего не знал о немецких зверствах в африканских колониях. В памяти у меня запечатлелась выцветшая черно-белая фотография из «Космоса»: пожилой господин в военной форме и в классическом пробковом шлеме, сидящий на фоне низкорослого кустарника. У ног господина, словно охотничий трофей, лежала огромная, окаменевшая конечность. Эта фотография, очевидно, воспламенила мое воображение. Э. Фраас в своем рассказе сообщал о месте находки, о ее значении и о трудностях – сначала с носильщиками по сухой дороге в Линди, а затем с морским транспортом при перевозке ископаемых остатков от побережья Восточной Африки в Германию. Впоследствии сообщения о находке и описание места, где она была сделана, привели к организации всеобъемлющих раскопок, самых крупномасштабных в истории немецкой палеонтологии – к германской экспедиции в Тендагуру с 1909 по 1913 год. Эта экспедиция проводилась под эгидой и на средства Берлинского музея естествознания; в ней подчас принимали участие и до 1000 местных помощников.

Восемьдесят лет спустя, при содействии и с помощью сотрудников музея естествознания я, применяя брусья и другие механизмы, при поддержке со стороны музея и института фотограмметрии и дистанционного зондирования Берлинского технического университета, вкатил через главный вход музея на Инвалиденштрассе огромную подъемную платформу и с нее провел многочисленные замеры скелета брахиозавра. С помощью системы автоматизированного проектирования, которая в то время только вошла в моду, было создано трехмерное компьютерное изображение скелета Brachiosaurus brancai. Основываясь на этих данных, мы смогли с помощью вычисления аллометрических функций оценить размеры органов и их функции. Мы установили предположительное гидростатическое расстояние между сердцем и головным мозгом, рассчитали потребное давление крови, рассмотрели темпы роста и суточную потребность в энергии этого исполинского травоядного. Теперь возникли новые вопросы, касающиеся терморегуляции, теплообмена и пищеварения, а также преимуществ и недостатков гигантского размера тела.

Измерение скелета брахиозавра в музее естествознания

Это основополагающие биологические вопросы о роли, которую играют масса тела, площадь поверхности тела и фрактальная геометрия тканей в строении организма. Например, на клеточном уровне не обнаруживается никакой разницы между размерами и функциями печеночной клетки землеройки весом 5 г и такой же клетки слона весом 5 млн г. Оба эти животные – млекопитающие, способные существовать в одинаковых природных условиях.

Сначала в Берлине образовалось маленькое научное сообщество, заинтересовавшееся этими вопросами; затем такие же сообщества появились и в других городах республики. В конечном счете больше десяти лет спустя, в 2004 году состоялось учреждение исследовательской группы 553 при Немецком научном обществе «Биология зауропод 553» под руководством боннского палеонтолога Мартина Зандера. Двенадцать научных коллективов посвятили себя интенсивному изучению темы гигантизма зауропод, а четыре года спустя Spiegel на первой полосе сообщил об «измерении динозавров». В 2010 году результаты исследований были, наконец, опубликованы в журнале Biological Reviews. Исследовательская группа пришла к некоторым интересным новым выводам о тех причинах, которые могли привести к возникновению гигантизма у зауроподов. В частности, среди прочего мы установили, что предположительно у зауроподов, в результате специфического сочетания родовых наследственных признаков и ключевых эволюционных приобретений на различных уровнях, был запущен замечательный эволюционный каскад, приведший к гигантизму. К этим ключевым эволюционным инновациям, с большой долей вероятности, можно отнести длинную шею – самый выдающийся анатомический признак строения тела зауропод. Длинная шея сделала возможным эффективный сбор пищи, так как зауроподам был доступен в качестве источника пищи больший объем пространства, нежели другим травоядным. В спокойном положении при такой длине шеи, согласно нашим расчетам, зауроподу для сбора пищи было доступно пространство объемом 150 м3. Исходя из биомеханических соображений – для того чтобы уменьшить вес самой шеи – было необходимо по ходу эволюции уменьшить размер головы и создать пустотелые кости, так называемый пневматизированный скелет. Уменьшение размера головы оказалось возможным, потому что растительный материал надо было только сорвать с ветви, но не было необходимости его жевать. Брахиозавр, скелет которого находится в музее естествознания, должно быть, поедал в сутки около 350 кг растительного материала (в сыром весе), что соответствует приблизительно 120 кг сухого веса. Из этих 120 кг, по нашим расчетам, в кровь всасывалось около 60 кг питательных веществ.

Для того чтобы выполнить эти расчеты, нам пришлось прибегнуть к помощи Ботанического сада в Далеме (Берлин), а также Биохимического института Свободного университета. Ботанический сад предоставил нам для анализа образцы древовидных папоротников и других растений, которые уже в юрском периоде служили зауроподам источником питания. Так как в то время на Земле еще не было цветковых растений, то представить себе меню зауропод не составило особого труда для специалистов по палеонтологической физиологии питания: папоротники, полевые хвощи, саговники, гинкго и хвойные – только эти растения могли играть в питании основную роль. Энергетическую ценность пищевых продуктов можно определить с помощью калориметра; у папоротника энергетическая ценность равна 3,5 ккал/г, а у гинкго – 6,1 ккал/г. Для усвоения пищи в желудочно-кишечном тракте зауроподы не располагали ни механизмом интенсивного пережевывания, ни механизмом измельчения пищи в желудке за счет проглоченных камней, как это наблюдается у страусовых. Эти механизмы, согласно данным других участников группы 553, только ограничили бы усвоение пищи. Аллометрические расчеты величины желудочно-кишечного тракта и основного обмена зауропод показали, что необходимого измельчения целлюлозы удавалось добиться, предположительно, за счет удлинения времени пребывания пищи в желудке и кишечнике.

Выраженное формирование воздухоносных полостей в скелетной системе (ее пневматизация) было у зауропод в ходе их эволюционной истории тесно связано с развитием органа дыхания, состоявшего из множества воздушных мешков – таких же, как у современных птиц. Такое основанное на воздушных мешках дыхание обеспечивает, в отличие от легких, которыми дышим мы, лучший с точки зрения физиологии дыхания газообмен, позволяет уменьшить массу тела и лучше отдавать тепло, что особенно важно для организмов с большой массой тела. Улучшенное дыхание сделало возможным увеличение скорости метаболизма у зауропод, а следовательно, повысило и уровень основного обмена. Этот уровень – свойство,