Новая история происхождения жизни на Земле - Питер Уорд

Кроме очевидной необходимости в более быстром передвижении, новшества в положении лап относительно тела также решали важный вопрос одновременности движения и дыхания. Как и современные ящерицы, протерозух двигался, вероятно, изгибая туловище, что приводило к сжатию отдела легких в груди, и дыхание при передвижении затруднялось, особенно во время бега. Ящерицы и саламандры не дышат при передвижении, и протерозух также не избежал похожих проблем, хотя, вероятно, в меньшей степени[183].

Решение этой проблемы — переместить конечности под туловище, но это еще не всё[184]. Чтобы по-настоящему избавиться от затруднений с дыханием, помимо структуры тела необходимо значительно перестроить и саму систему дыхания. Организмы той ветви эволюции, от которой произошли птицы и динозавры, развили эффективное качество — двуногость. Лишившись одной пары опорных конечностей, они получили возможность дышать и передвигаться одновременно. Предки млекопитающих также приобрели несколько новшеств, в том числе вторичное нёбо (позволяет одновременно дышать и поглощать пищу), а также полностью поднятое над землей туловище, хотя они по-прежнему оставались четвероногими. Но все же и этих новоприобретений оказалось недостаточно, требовалась новая дыхательная система. И появилась диафрагма — система мускулов, позволяющая намного интенсивнее вдыхать и выдыхать воздух.

Помимо изучения костей динозавров, существует много других способов узнать о развитии жизни на планете. Триасовый взрыв также связан с развитием разнообразия пресмыкающихся, вернувшихся к водному образу жизни, — так они отреагировали на усиление жары и снижение уровня кислорода в данный период.

Кислород необходим животным, чтобы регулировать обмен веществ, этот газ участвует в реакциях, которые составляют саму суть жизни. Однако в любом химическом процессе присутствует не один, а множество факторов, регулирующих реакции. Одним из самых важных факторов является температура. Обмен веществ, метаболизм — процесс, при котором организм поглощает энергию, и интенсивность именно этого процесса весьма различна для теплокровных и холоднокровных животных. Впрочем, даже в одном организме интенсивность обмена веществ в удивительно высокой степени и напрямую зависит от температуры. Недавние исследования показывают, что около одной трети, а иногда и половина всех энергетических ресурсов организма животного тратится на то, чтобы просто остаться в живых в ходе таких процессов, как белковый обмен, циркуляция крови, дыхание. Другие действия, более необходимые в тот или иной момент, — передвижение, размножение, принятие пищи и прочее — накладываются на упомянутые внутренние процессы, и скорость поглощения «горючего», а с ним и температура, возрастает[185]. Однако с ростом интенсивности метаболизма увеличивается и потребность в кислороде, поскольку химические реакции, составляющие суть жизни, зависят от этого вещества. Ключом к проблеме является то, что интенсивность обменных процессов удваивается или утраивается с повышением температуры на каждые десять градусов. Последствия этого в мире, где мало (по сравнению с современностью) кислорода, но более высокие средние температуры, огромны.

Между уровнями атмосферного кислорода и температурой прямой зависимости нет. Зато она существует между температурой и углекислым газом. В главе 3 было указано, что уровни кислорода и углекислоты в атмосфере, грубо говоря, находятся в обратном отношении друг к другу: много кислорода — мало углекислого газа, и наоборот. Многие периоды в истории Земли демонстрируют эту обратную зависимость, и во времена с низким уровнем атмосферного кислорода уровень CO2 был высок, а значит, было и жарко. В мире, где очень жарко и мало кислорода, животным приходится нелегко. Мы уже рассказали о некоторых способах адаптации к условиям с низким уровнем кислорода. Один из них, самый очевидный, — искать пути охлаждения, иногда этого можно добиться физиологическими методами, а иногда — поведенческими.

Существует, например, способ, одновременно и морфологический, и физиологический, и поведенческий — возвращение в океан, прохладный океан. Даже в самые жаркие периоды истории океан оставался заметно прохладнее, поэтому, возможно, многие сухопутные животные мезозойской эры сменили лапы на ласты или плавники и сбежали в моря, причем в значительных количествах.

В данной главе уже упоминалось, что в описываемый период высоких температур и низкого уровня кислорода неуклонно возрастало число четвероногих, которые вернулись в морскую среду обитания. Ни до, ни после данного периода не было таких случаев, когда столько таксономических групп оставили бы сушу ради моря. Сегодня мы радуемся большому количеству видов китов, тюленей, пингвинов, а ведь эти три группы эволюционировали из сухопутных существ и теперь демонстрируют высокую степень приспособленности к морской среде. Впрочем, киты и тюлени вместе взятые составляют всего 2 % всех млекопитающих, а пингвины — 1 % птиц. Однако в триасовых морях водилось множество других «репатриантов» — животных, которые были сухопутными, но потом заново приспособились к жизни в воде. В триасе существовали гигантские ихтиозавры, четвероногие плакодонты (они очень походили на современных тюленей, только у них имелись плоские коренные зубы, явно приспособленные для перемалывания раковин и панцирей). В юрском периоде к ихтиозаврам присоединилась целая компания плезиозавров с короткой или длинной шеей. В меловом периоде ихтиозавры исчезли, а на смену им пришли крупные мозазавры. И всех этих существ объединяло одно — когда-то они были сухопутными.

Такое большое количество морских четвероногих подтверждается исследованием специалиста по морским обитателям Натали Бардет, которая в 1994 году опубликовала обзорную статью[186] обо всех известных тогда семействах морских рептилий мезозойской эры. Примечательно, что очень многие из них относятся к триасу. Так почему же столько животных вернулось в океан?

Низкий уровень кислорода и высокая температура были двумя основными доминантами в окружающей среде на планете тех времен. Специалист по рептилиям из Вашингтонского университета Рей Хьюи предположил, что именно жаркий климат триаса и юры был тем фактором, который спровоцировал эволюционный переход некоторых пресмыкающихся с суши обратно в океан. В 2006 году Питер Уорд (один из авторов данной книги) доказал, что между уровнями кислорода в мезозое и количеством рептилий существовала интересная обратная зависимость: периоды низкого уровня кислорода соответствовали времени появления большого количества морских рептилий. Рост уровня кислорода, наоборот, совпал с заметным сокращением числа семейств тех четвероногих, которые вели исключительно морской образ жизни. Впрочем, связи между абсолютным количеством морских обитателей и сухопутных динозавров не прослеживается, и упомянутая обратная зависимость между уровнем кислорода и числом животных остается просто интересным новым аспектом, в котором мы рассматриваем планету мезозойской эры.

Триасово-юрское вымирание

Определение уровня кислорода в окружающей среде триасового периода является довольно новым открытием. Еще несколько лет назад минимальные показатели содержания кислорода на планете за последние 300 млн лет приписывались границе перми и триаса — 252 млн лет назад. Однако теперь исследователи склонны смещать эти данные в сторону границы между триасом и юрой — 200 млн лет назад. Таким образом, триас не был временем роста уровня кислорода, а, наоборот, в позднем триасе уровень кислорода был вдвое ниже современного — около 10 % Времена позднего триаса совпадают с периодом значительного сокращения численности большинства сухопутных позвоночных, если не считать первых динозавров.

Причины этого массового вымирания, как и любого другого, по-прежнему точно не известны. Всем очевидно, что триасово-юрское вымирание, как и пермское, было очень быстрым и сопровождалось ужасной жарой, а также в это время произошло мощнейшее излияние базальта, по масштабам уступающее только сибирским траппам позднего пермского периода. Два массовых вымирания подряд с интервалом всего в 50 млн лет (!), и оба сопровождались излиянием базальта, которое всегда влечет за собой увеличение количества углекислоты в океане и в воздухе, в разы превышающее исходные показатели. Некоторые данные указывают, что на своем пике содержание CO2 в атмосфере составляло 2000–3000 ppm. Сравните с современным (2014 год) состоянием — 400 ppm. А ведь концентрация углекислоты во время излияния базальтов не просто возросла — она резко подскочила!

Уничтожение растительной жизни создало разрыв в круговороте углерода и изменило соотношение углерода-12 и углерода-13. Данное соотношение, которое уже не раз упоминалось в этой книге, по-видимому, можно считать признаком массовых вымираний. Однако данный случай — на границе триаса и юры — был обнаружен не ранее 2001 года, когда Питер Уорд и его коллеги опубликовали результаты своего исследования, проведенного на морском побережье одного из островов Хайда-Гуаи, в местности древних лесов, низких температур и большой влажности[187]. Как и во время девонского и пермского парниковых вымираний, соотношение изотопов сместилось от C13 к C12, что объясняется изменениями в количестве, видовом составе и истории захоронения останков разнообразных организмов на планете.