Знание-сила, 2000 № 12 (882)

Бронтозавр! Опусти головку!

…И ПОРАЗМЫСЛИВ НАД ИДЕЕЙ УПОДОБЛЕНИЯ сверхдлинного хвоста пастушескому бичу, пришел к неизбежному выводу, что для начала следовало бы узнать побольше о бичах… Но где эксперту по компьютерной математике, проживающему в Сиэтле, раздобыть столь экзотическую информацию? Впрочем, Internet и на сей раз оправдал репутацию неистощимого кладезя самых разнообразных сведений, в том числе и о людях, питающих пылкий интерес к бичам, кнутам, хлыстам и нагайкам: в массе своей они явно не были ни математиками, ни палеонтологами.

Выяснилось, что доныне практикующих на Североамериканском континенте мастеров бичеплетения можно без труда пересчитать по пальцам, но самый лучший специалист, по счастью, также проживает в Сиэтле. Рекомендующие его WWW-сайты все как один предупреждали: друг, придумай какую-нибудь приличную историю, а иначе старый хрыч нипочем не продаст тебе бича!

Последовав благому совету, он вдумчиво сконструировал легенду об изучении первоначал западной культуры на территории Соединенных Штатов, однако патриотическая заготовка сразу вылетела у него из головы, стоило лишь умельцу сурово вопросить: а для каких таких целей городскому хлыщу понадобилось честное орудие сельского труда? И ничего не оставалось, кроме как бухнуть напрямик: ДЛЯ ДИНОЗАВРОВ!

Старик взглянул на визитера не без сожаления: перед ним стоял не просто гнусный, но и самый глупый на свете извращенец, не способный даже сплести правдоподобную байку. Потом мастер гневно запыхтел, и неизвестно, чем могла закончиться эта история, кабы не молодой парень, быстро и бесшумно явившийся в магазинчик из задних жилых комнат,

– Привет, Натан, – весело сказал тот. – А ты, дедуля, успокойся! Он не врет про динозавров, я знаю. Мы вместе работаем у Гейтса…

НАТАН МИРВОЛЬД завершил школьный курс наук к 14 годам, в 23 защитил докторскую по теоретической физике в Принстоне, а еще через три года основал компанию по производству программного обеспечения, которая вскорости была на корню откуплена Биллом Гейтсом. Разобравшись с удачным приобретением, последний незамедлительно предложил бывшему конкуренту поработать на Microsoft… Так что ныне, в свои 39, блестящий (по всеобщему мнению) и на редкость разносторонний (по мнению коллег) математик Мирвольд занимает пост главного технолога компании, снабжая хитромудрого Гейтса ценными советами касательно дальнейших путей развития компьютерного дела.

При всем при том Натан никогда не забывал о динозаврах… Его наивное детское увлечение со временем не только не угасло, но переросло в драматическую интеллектуальную проблему. «Эти животные настолько отличны от современных по анатомии и размерам, а об образе их жизни так мало известно, что вокруг любой гипотезы, основанной на обычной экстраполяции, разворачиваются самые ожесточенные дебаты!»

В конце концов, отважившись внести собственную лепту в пресловутые «динодебаты», Мирвольд вступает в электронную переписку с канадским палеонтологом Филом Кьюри из Royal Tyrell Museum of Paleontology, и в процессе обмена мнениями, затянувшегося на несколько лет, вызревает рациональная мысль: а не попытаться ли разрешить кое-какие спорные проблемы с помощью компьютерного моделирования? В качестве объектов такого моделирования Мирвольд и Кьюри в дружном согласии выбирают завроподов…

ВСЕ ВИДЫ И РАЗНОВИДНОСТИ подотряда Sauropoda питались растительностью, передвигались на четырех ногах и имели сходное анатомическое строение: удлиненное массивное тело на толстых столбообразных конечностях, маленькую головку на очень долгой шее, а в придачу – изумительно длинный и массивный хвост с замечательно тонким концом.

Все пять семейств этого подотряда могли похвастать чрезвычайно крупными размерами, ну а диплодоки, брахиозавры и апатозавры (ранее именуемые бронтозаврами) – вообще самые грандиозные зверюги, которых когда-либо носила Земля: длина отдельных экземпляров, согласно новейшим данным, достигала 40 метров, а вес – примерно 100 тонн.

Еще совсем недавно специалисты по биомеханике (изучающей механические свойства живых тканей и организма в целом, а также механические явления, происходящие при движении, дыхании, кровообращении и т.д.) никак не могли рационально объяснить «парадокс завроподов» – а что уж говорить об ученых прошлого века? Палеонтологам, впервые раскопавшим в Европе и Северной Америке останки «библейских чудищ», и в голову прийти не могло, чтобы этакие махины способны были передвигаться по земле. Так что на протяжении многих десятилетий гигантский завропод почитался вялой, неповоротливой тушей, почти полностью погруженной в какой-нибудь водоем или болото, где милосердный закон Архимеда облегчал невыносимую тяжесть его существования.

ПОЛНОСТЬЮ РАЗРУШИЛИ ЭТОТ ОБРАЗ длинные цепочки следов, найденных на суше в середине нашего столетия… Как оказалось, отпечатки ног гигантских динозавров крайне редко сопровождаются метками от кончика хвоста, не говоря уж о борозде волочения: а стало быть, они без труда несли свои массивные хвосты параллельно земле! Словом, к 1970-м полностью сформировалось новое представление о завроподах как о подвижных мускулистых существах, и палеонтологическим музеям пришлось срочно выправлять осанку колоссальных скелетов: могучие хвосты заняли горизонтальное, а длинные шеи – на манер жирафьих – почти вертикальное положение.

Кое-какие радикалы под идейным руководством известного ниспровергателя замшелых истин Роберта Бэккера пошли еще дальше, утверждая, что завроподы могли стоять на задних ногах, используя хвост в качестве третьей опоры: весьма удобная позиция для обкусывания деревьев на высоте пяти этажей, не правда ли? Бэккеровская концепция резкого, ловкого и грациозного зверя выглядела на редкость привлекательной, и неудивительно, что Стивен Спилберг принял ее за аксиому в своем «Парке юрского периода». Но науке-то требуются доказательства…

И теперь, когда компьютеры без труда обсчитывают не только детали машин, но и висячие мосты, пикирующие бомбардировщики и что угодно, в принципе нет никакой необходимости сочинять специальную программу, ну скажем, для завроподова хвоста: вполне достаточно купить продвинутую инженерную!

Натан Мирвольд так и поступил.

ОН ЗАДУМЧИВО ШЕВЕЛЬНУЛ РУКОЯТЬЮ, и его удачное приобретение (12 футов искусно переплетенных волокон, добрая ручная работа!) с сухой элегантностью продемонстрировало полное согласие с законами Ньютона… А как, собственно, ведет себя бегущая по бичу волна?

Во-первых, она сохраняет свою энергию (за вычетом той малости, что расходуется на борьбу с силой трения), во-вторых, постепенно ускоряется (поскольку означенное изделие заметно сужается к концу). Так вот, на тонком кончике 3,6-метрового плетеного шнура скорость волны достигает примерно 1260 километров в час, или 350 метров в секунду, что превышает скорость звука. А следовательно, хлесткий щелчок бича – не что иное, как акустический «взрыв» при преодолении звукового барьера!

Совершив это маленькое открытие, Мирвольд занялся отладкой готовой инженерной программы, пока не убедился, что та вполне аккуратно имитирует поведение бича. А затем отправился в Питтсбург, где в Музее естественной истории экспонирован хвост Apatosaurus Loiusae, один из самых сохранных в мире. Там он произвел необходимые замеры (длина объекта составила 12,5 метров) и подсчитал, что живой вес питтсбургского хвоста тянул примерно на 1300 килограммов.

Слишком много.

Такую массу нипочем не разогнать до сверхзвука! А впрочем… Ведь распределена-то она неравномерно? Ровно половина приходится на первые четыре фута хвоста, а на последние четыре – всего-то грамм триста.

СОРОКАФУТОВЫЙ ХВОСТ ИЗВИВАЛСЯ в компьютере… Устройство позвонков вполне позволяло апатозавру изгибать его в местах сочленений под углом в 30 градусов, но чтобы ублаготворить консерваторов, Мирвольд смоделировал и более жесткий вариант, способный искривляться максимум на 9 градусов. Методично опробовав всевозможные модели, исследователь убедился: весьма небольшой энергии достаточно, дабы вывести на сверхзвуковую скорость кончик его хвоста!

Великолепно. Стало быть, апатозавр и впрямь мог использовать массивную «пятую конечность» на манер бича. Остается лишь один вопрос: а зачем это было ему нужно?!

Натан никогда не воспринимал всерьез популярную идею, будто бы травоядные горы живого мяса имели обыкновение отбиваться от кровожадных хищников могучими хвостами. В самом деле, при ударе хвостом энергия высвобождается преимущественно на самом его конце, однако сия часть завроподова тела настолько, без преувеличения говоря, нежна (у апатозавра, к примеру, диаметр завершающей пары метров не превышает садового шланга для поливки цветов), что тот скорее нанесет вред себе, чем противнику. Правда, недооценивать мощь таких ударов тоже не стоит: при «щелчке» хвостом энергии выделяется в 2 тысячи раз больше, чем при ударе пастушеского бича, а сила звука при этом превышает 200 дБ (для сравнения: болевой порог человеческого восприятия – около 120 дБ, шум взлетающего реактивного самолета на расстоянии 5 метров – 140 дБ).

ПУШЕЧНЫЙ ЗАЛП, оглашающий мезозойские равнины на многие мили вокруг!

И чтобы этакий экстравагантный трюк пропадал задаром?

Но нет, конечно, не война. Любовь! – заключил Натан Мирвольд. «Всяческие диковинки наподобие павлиньего хвоста или оленьих рогов животные приобретают по большей части благодаря половому отбору» – замечает он. Что до гигантских завроподов, то серьезное сражение из-за самки почти наверняка могло завершиться фатальным исходом по крайней мере для одного из соперников, а вот бескровная «акустическая дуэль» объективно способствовала сохранению вида.

Для проверки этой оригинальной гипотезы, собственно, следует сравнить последние хвостовые позвонки самцов и самок, и если у первых они окажутся заметно поврежденными… Но, как вы уже догадались, определение пола динозавра по его скелету – одна из тех проклятых проблем, что вызывают наиболее ожесточенные дебаты.

ЗАЙТИ С ДРУГОГО КОНЦА ЗАВРОПОДА выпало Кенту Стивенсу из Орегонского университета… А началось все с того, что ученый решил слегка развеяться и отправился в кино. Дело было в 1993-м, фильм оказался «Парком юрского периода», и Стивенс чрезвычайно заинтересовался тираннозавром: будучи специалистом по визуальному восприятию трехмерного пространства, он сразу обратил внимание на глаза хищника, направленные вперед и обеспечивающие своему хозяину прекрасное стереоскопическое зрение.

«Я даже начал серьезное исследование зрительных возможностей хищных динозавров, – признается он. – У некоторых видов, как я выяснил, поля обеих глаз перекрываются не хуже, чем у кошек, так что эти звери были великолепными преследователями, свободно ориентирующимися во всех трех измерениях. У других видов зрительные поля перекрываются слабо, а такие хищники могли воспринимать глубину пространства лишь на близком расстоянии и, судя по всему, поджидали жертву в засаде».

Тут следует отметить, что Стивенс ко всему прочему недурной программист, поскольку ему часто приходится использовать в своих экспериментах трехмерную компьютерную графику. И в один прекрасный день он решил показать студентам, как слепить специализированное программное обеспечение, что называется, из подручных материалов. А так как его ученые мозги были забиты динозаврами… то и сотворил он узкоспециализированную программу, моделирующую их скелеты! А если учесть, что к тому времени Кент успел подружиться с Майклом Пэрришем – палеонтологом из Университета Северного Иллинойса…

ЭТО НАСТОЯЩАЯ НАУЧНАЯ БОМБА! – воскликнул восхищенный Майкл, сразу же узрев в творении друга многообещающие перспективы. Дело в том, что докторскую степень Пэрриш получил за исследование биомеханики кое-каких вымерших видов крокодилоподобных рептилий, и эти гады были достаточно малы, чтобы вручную подгонять друг к другу окаменевшие кости с целью определить их естественное положение и диапазон подвижности. Однако с гигантскими завроподами подобный фокус никак не пройдет, ибо для одной лишь бедренной кости понадобится бригада крепких ребят и лебедка в придачу… А вот с помощью стивенсовскои программы титанические костные останки можно крутить как угодно, более того, компьютер способен даже исправить их форму, искаженную миллионолетним пребыванием в земле.

В общем, для начала Стивенс с Пэрришем решили выяснить: а какие, собственно, штуки могли проделывать завроподы своими многометровыми шеями?

ПО БАЗОВОЙ АРХИТЕКТУРЕ позвонки динозавров весьма схожи с аналогичными костями современных млекопитающих, и хотя тонкие анатомические подробности, без сомнения, чрезвычайно любопытны, мы сразу перейдем к главному предмету нашего интереса, то бишь к ЗИГАПОФИЗАМ. Этим мудреным словечком обозначают специфические костные отростки, расположенные на передних и задних частях позвонков: задняя зигапофиза предыдущего позвонка нависает над передней зигапофизой последующего, и так далее до самого конца, причем каждая пара соседствующих отростков заключена в заполненную жидкостью капсулу наподобие той, что обнимает наш шарнирный плечевой сустав.

Именно эти невзрачные выросты и ограничивают гибкость шеи и спинного хребта животного, прижимаясь друг к другу при некоторых поворотах позвоночника и препятствуя тем самым дальнейшему движению. К примеру, шея верблюда весьма подвижна, поскольку сидящие на высоких ножках зигапофизы относительно редко вступают в тесный контакт. А вот у гиппопотама эти отростки толстые и плотно прижаты друг к другу, но зато его массивная шея, при всей неповоротливости, прекрасно выдерживает тяжесть огромной головы.

В этом смысле завроподы гораздо ближе к верблюду, чем к гиппопотаму, однако при детальном рассмотрении выясняется, что формы зигапофизов у разных их видов удивительно разнообразны. А ведь даже крошечные различия в строении этих отростков могут радикальнейшим образом сказаться на подвижности шеи!

В ТЕЧЕНИЕ ДВУХ ЛЕТ Стивенс и Пэрриш регулярно посещали музеи США и Европы, чтобы собрать по возможности полные данные касательно позвонков завроподов. Болтаясь в подвесной люльке и ползая в пыли запасников на коленях, они снимали по нескольку дюжин измерений для каждой косточки. Вернувшись из такой экспедиции в Орегон, Стивенс немедленно скармливал добытые цифры компьютеру – и заставлял его строить динозавров!

Программа определила естественное положение шеи для разных завроподов, вычислив те позиции позвонков, когда между спаренными отростками устанавливается максимальное соответствие. Затем Стивенс принялся испытывать эти шеи на гибкость, перемещая их в разные стороны от «нейтральной позиции», насколько позволяли зигапофизы: последние в конце концов либо плотно прижимались друг к другу, либо расходились уж слишком широко, рискуя повредить удерживающую их капсулу.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУМИЛИ экспериментаторов: невзирая на большое внешнее сходство, биомеханика разных видов оказалась совершенно различной!

Апатозавр способен поднять голову на пять с лишком метров выше нейтрального положения, а вправо или влево она отклоняется метра примерно на четыре. Этому завроподу совсем не требовалось зеркальце заднего вида, чтобы обозреть собственный хвост, ибо свою пятиметровую шею он мог согнуть практически пополам, в виде буквы U… А при желании – и придать ей направленную вперед S-образную форму!

Шея диплодока, несмотря на шестиметровую длину, была значительно менее подвижной: голову он мог поднимать примерно на 3,7 метров, а отклонять в сторону – всего на два с небольшим.

Когда на американском Западе были найдены останки рекордного 24,5-метрового брахиозавра, его стали изображать с гордо поднятой, на манер жирафа, головой… Модель Стивенса показала, что на подобный подвиг брахиозавр совершенно не способен: в нормальном положении его девятиметровая шея составляет с горизонталью угол в 20 градусов, так что голова возвышается над землей примерно на 5,5 метров, а отклоняется вправо или влево всего на 2,75 метра.

БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ, вполне вероятно, объясняет «экологическую загадку» завроподов, которая состоит в том, что этих животных было слишком много для растительноядных такого размера. 150 миллионов лет назад на месте Национального мемориала динозавров в штате Юта жили бок о бок четыре различных вида завроподов, и с точки зрения эколога это примерно то же, как если бы в африканской саванне проживал не один, а четыре вида слонов одновременно, при том что величина каждой особи вдесятеро превосходит обычную.

Невозможно даже представить, чтобы все они могли прокормиться без поголовного вымирания какого-то вида (а то и двух-трех) либо постепенной специализации на различных пищевых ресурсах! Но если диапазон мобильности головы (и рта) у разных видов завпроподов не вполне совпадает, то мезозойская экосистема совершенно естественно разделяется на несколько пищевых «этажей».

Самые странные результаты компьютер выдал Стивенсу в итоге исследований максимального наклона шеи. У брахиозавра, как оказалось, голова на полтора метра не доставала до земли, так что у бедняги наверняка были те же проблемы с питьем, что у современного жирафа. Жираф, кстати, выходит из затруднительного положения, расставив пошире длинные ноги, а вот что делал брахиозавр, никто толком не знает.

У апатозавра и диплодока с питьем был полный порядок, ибо у каждого из них голова могла опуститься… на 1,8 метра ниже уровня почвы! Выходит, старые палеонтологи были не так уж не правы, утверждая, что эти колоссы питались водяными растениями? Получается, они вполне могли этим заниматься, даже находясь не в воде, а на берегу?

И НАКОНЕЦ, СЕНСАЦИЯ: гигантские завроподы действительно могли стоять на задних ногах с опорой на хвост, как утверждал Бэккер! По крайней мере, никакие законы биомеханики тому не противоречат. Возникает, правда, сакраментальный вопрос: а зачем им это было нужно?..

Вопрос остается открытым! Возможно, мы когда-нибудь получим ответ, и он покажется нам не менее странным, чем акустические битвы на 40-футовых хвостах…

НО ЧТО МЫ ВООБЩЕ ЗНАЕМ О ДИНОЗАВРАХ?!