Знание-сила, 2008 № 11 (977)

Дышите, еще дышите...

Биологическая эволюция вплетена в сложную сеть глобальных процессов, меняющих характер среды обитания живых организмов. Достаточно измениться климату из-за долгопериодических качаний земной оси или начаться циклу вулканических извержений в результате тектонических подвижек, или океану «отрыгнуть» метаном или сероводородом — и это вызывает множество вторичных процессов в системе, конечные последствия которых сказываются на условиях обитания живых существ. Если среди них находятся такие, которые благодаря случайным мутациям еще раньше приобрели свойства, делающие их приспособленными как раз к этим новым условиям, они выживают лучше других собратьев, и их потомство со временем становится самым многочисленным. Другие со временем вымирают.

Как утверждают ученые (и у них есть на это надежные основания), 180 миллионов лет назад сушей и океанами завладели новые обитатели — те ящеры самых разных видов, которых мы именуем одним общим словом «динозавры». Если они завладели сушей и водой, это значит, что они вытеснили оттуда прежних обитателей, а это могло произойти только по описанному выше сценарию: произошло какое-то изменение среды обитания, и динозавры оказались наиболее приспособленными к новым условиям. И действительно, как обнаружил Роберт Бернер из Йельского университета, именно в это время произошло очередное изменение уровня свободного кислорода в атмосфере и в океанской воде. Исследования Бернера и других показали, что этот уровень не оставался неизменным на протяжении всей земной истории, а неоднократно менялся.

Например, на первых этапах существования Земли весь ее кислород был связан (в виде окислов) в твердых породах земной коры; затем, с появлением фотосинтетических организмов, началось выделение свободного кислорода в атмосферу, потом, в результате тектонических подвижек, распределение биомассы на поверхности Земли изменилось, и уровень свободного кислорода снова упал, и так далее. И каждый такой скачок, судя по данным Бернера, сопровождался выходом на передний план жизни иных ее форм. Например, очень высокое содержание кислорода (около 30% против нынешних 21%), предшествовавшее появлению динозавров, породило гигантские формы древних сухопутных рептилий, а последовавший за этим спад загнал их в воду. Но спад продолжался и после этого. По данным Бернера, уровень кислорода понизился до 12% — сегодня таков уровень на высоте 4400 метров.

Это состояние сохранялось следующие 50 миллионов лет, и как раз за это время на сушу вышли и, как мы уже сказали, завладели ею динозавры. Значит, они умели дышать даже в таких условиях, когда нечем дышать. Как же они ухитрялись это делать? Собрав палеонтологические данные, ученые нашли ответ на этот вопрос, и ответ невероятно интересный. Основную идею своего необычного дыхания динозавры «подхватили» у гигантских рептилий предыдущего (Триасового) периода. Поскольку те жили в условиях избытка кислорода, у них не было надобности в больших легких, и те были маленькие, похожие на мешки, но жесткие и внутри разделенные перегородками. Динозавры, однако, добавили к этим перегородчатым легким еще дополнительные воздушные мешки — вроде тех, которые и сегодня существуют у птиц, этих дальних потомков динозавров. Сочетание легких и таких (воздушных) мешков делает дыхание птиц много более эффективным, чем у пресмыкающихся и даже у млекопитающих, но лишь при определенных условиях — при недостатке кислорода. Что как раз и докучало динозаврам.

Мы дышим и выдыхаем через одну и ту же трахею, так что воздух входит и выходит по одному и тому же пути, но в противоположных направлениях. Это заставляет нас вдыхать и выдыхать раздельно. Не то, что у птиц. Воздух у них поступает сначала в воздушные мешки, а уж оттуда в легкие. А выдыхается через дыхательную трубку. И процесс этот — непрерывный, то есть воздух все время движется в одном и том же направлении: дыхательные мешки — легкие — трубка. Тот факт, что поток воздуха все время движется в одном направлении, позволяет создать систему «воздух — кровь», в которой поток воздуха и поток крови будут все время противонаправлены (у млекопитающих это невозможно, потому что поток воздуха, как мы уже сказали, все время меняет свое направление). Благодаря этому газовый обмен между воздухом и кровью у птиц много эффективнее, и из каждой единицы объема воздуха они извлекают в кровь много больше кислорода. Даже на уровне земли птицы извлекают его на 33% больше, чем млекопитающие того же веса. А на высоте 1500 метров — на 200% больше! Вот почему гуси, летящие в теплые страны, могут лететь над Гималаями, на высоте 8 километров, где человек без маски немедленно гибнет.

Динозавры были первыми, кто «изобрел» эту феноменальную дыхательную систему. А что им было делать, когда кислорода на уровне земли было столько, сколько сегодня над Альпами? Хочешь жить — умей дышать.

Все сказанное — отнюдь не гипотеза, это подтверждено прямым изучением сохранившихся динозавровых костей. Ученым давно было известно, что птицы используют для хранения воздуха пустоты в своих костях. Но в 2005 году два исследователя, О'Коннор и Классенс, впервые впрыснули специальное вещество в птичьи воздушные мешки, и это позволило напрямую увидеть, какими сложными путями мешки врастают в птичьи кости, используя любую мельчайшую пустоту. Затем они повторили этот эксперимент на костях динозавров и увидели такую же систему. А несколько позже Вилфорд показал, что из всех сухопутных животных, существовавших в конце Триасового периода (когда уровень кислорода начал катастрофически снижаться), только динозавры обладали такой системой воздушных мешков. Это в точности соответствует описанному выше эволюционному сценарию: выжили и победили те организмы, которые случайно уже обладали способностями, благоприятными в новых условиях.

А заодно это демонстрирует, как изобретательна и «живуча» эволюция, — она пользуется любым случаем, «вертится» так и эдак и даже беду ухитряется обращать в свою пользу: много кислорода — она порождает гигантские рептилии, мало — она порождает динозавров. Возможно, если бы не удар гигантского астероида, эти дивные ящеры до сих пор были бы царями природы...