Динозавры были похожи на современных рептилий, а мамонты напоминали мохнатых слонов с бивнями. Стоит только упомянуть название знаменитого доисторического животного, и оно сразу представляется слушателю. Но откуда мы знаем, как выглядели звери, населявшие Землю до начала времен? «Хайтек» рассказывает, каким образом ученые узнают о том, как выглядели и что ели доисторические животные.
Люди почему-то редко сомневаются в том, достоверно ли изображены динозавры в фильме «Парк юрского периода». Более того, массовое представление о том, как выглядели эти рептилии, было сформировано как раз в самом блокбастере. Одна из множества вариаций, имеющих право на существование, стала каноном благодаря Голливуду. Тем не менее, реконструировать внешний вид динозавров можно по-разному.
Первая попытка восстановить внешний вид вымершего животного была сделана 2 600 лет назад, в Древней Греции. Историк Адриенна Майор утверждает, что морское чудище Кето, которое должно было съесть Андромеду, появилось в мифах не просто так. Исследовательница предполагает, что это попытка объяснить внезапно найденные останки Giraffokeryx –– предка жирафа, который жил примерно 6 млн лет назад.
Гигантские кости –– не редкая находка для древности, хотя речь и не шла о систематических раскопках. Историки Античности считали, что случайно найденные останки принадлежат великанам или монстрам. Организованные поиски древних костей начались в Средние века, когда в ледниках начали находить кости мамонтов, шерстистых носорогов и других крупных млекопитающих. Впрочем, и тогда их не считали обычными костями. Останки якобы принадлежали драконам, гигантам, единорогам и другим жертвам Всемирного потопа.
В 1663 году немецкий натуралист Отто фон Герике попытался восстановить облик настоящего «единорога» из костей разных млекопитающих эпохи плейстоцена. В его реконструкции зубами животного стали моляры мамонта, а череп и другие кости принадлежали шерстистому носорогу. Натуралист стремился воплотить фантазию, а не реконструировать жизнь.
Французский натуралист Жорж Леопольд де Кювье подошел к воссозданию внешнего вида вымершего животного с рациональной позиции естествознания. В своей работе «Исследование ископаемых костей четвероногих» ученый рассуждал так: «Если зубы животного такие, какими должны быть для того, чтобы оно питалось мясом, то мы можем быть уверены, что и вся его система пищеварения будет подходить для такого вида пищи. Весь его скелет и двигательные органы, даже органы чувств, будут хищническими. Всё это необходимо для существования животного: иначе оно не могло бы существовать вовсе».
Несмотря на создание множества иллюстраций животных, чей вид Кювье восстанавливал на основе изучения их скелетов, он не решался публиковать зарисовки, потому что считал их слишком умозрительными. Тем не менее, в одной из последних редакций труда натуралиста он разместил изображения парнокопытных аноплотерий и непарнокопытных палеотерий. Широкая общественность впервые увидела научную реконструкцию внешнего вида и жизни давно вымершего животного. Кювье рассказал миру о том, как охотилось и жило существо, о котором предки людей не сохранили никаких слов.
Останки и скелеты
Кювье изменил представление о том, что скелет может сообщить лишь абсолютно базовый факт: «Был живой, стал мертвый». Это далеко не всё, что может рассказать об организме скелет.
В практике палеонтологов встречаются разные кейсы: останки некоторых видов дошли до наших дней в идеальном состоянии, другие скелеты восстанавливаются практически с нуля. Большую роль в целостности скелета играют условия среды, в которой он оказался. Так, вечная мерзлота сохраняет даже мягкие ткани животных.
В 2010 году в Якутии были найдены останки 1,8-метрового мамонтенка, который сохранился практически полностью. Сообщения о таких находках поступают регулярно: вечная мерзлота отступает, обнажая останки. Основные места поиска –– Якутия и Новосибирские острова.
Якутия оказывается местом поиска не только мамонтов, но и шерстистых носорогов. Останки особи этого вида были найдены в местных льдах. Носорогу дали кличку Саша. Это был трех- или четырехлетний детеныш. До этой находки исследователи находили взрослых особей, но никогда не встречали целых маленьких останков.
Такие находки особенно интересны из-за фактора сохранности. Если палеонтологам повезло, и на трупе сохранились мягкие ткани, то ученые способны почти полностью восстановить диету зверей.
У большинства современных плотоядных есть острые зубы, которыми легко резать мясо. Это наблюдение легко распространяется во времени: у ископаемых животных с острыми клыками также были хищнические рационы. Особенности челюстей и зубов показывают, что могло есть животное.
Благодаря эволюции костное строение зверей адаптируется для различных функций. Принцип рычага –– один из основных в физике. Его понимание позволяет понять технику передвижения разных животных, их максимальную скорость и силу. Размещение мышцы на челюстных костях напрямую влияет на то, какой силы укус может сделать животное и как быстро оно открывает и закрывает челюсть. Надежность самого черепа зависит от общей твердости костей, поэтому наличие мускулов на челюсти показывает не прочность, но силу. Подобные звери предпочитают жесткую пищу, которую нужно измельчать зубами.
«Ты то, что ты ешь» –– фраза, справедливая и на молекулярном уровне. В разных источниках пищи есть разные микроэлементы и изотопы, которые, в свою очередь, впитываются в зубы и кости животных на следующем звене пищевой цепи. Химический анализ позволяет определить, питался ли, например, древний падальщик морскими или наземными животными.
Кроме того, от пищи зависит характер окаменелостей в кишечнике и окаменелые отходы. Копролиты, или ископаемые фекалии часто сохраняют в себе остатки пищи: фрагменты растений и кусочки костей. Если у ученого есть возможность сопоставить фекалию и ее производителя, то это отличный способ понять, чем именно питалось животное.
Еще Кювье предложил считать главным ориентиром для реконструктора именно зубы, но их форма –– не единственный информативный элемент. Зубная эмаль стирается даже при самых благоприятных обстоятельствах, но разная пища по-разному царапает и щербит зубы. Их текстура позволяет уточнить особенности диеты.
Почему современных исследователей вообще волнует, кто и кого съел 20 или 200 млн лет назад? Стремление понять доисторических животных связано с интересом в ветеринарной медицине, фармацевтике и биологии. Тем не менее, наука изобретает новые способы более точной реконструкции жизни и вида ископаемых животных.
Недавним изобретением в области реконструкции по останкам стала разработка ученых колледжа Корка в Ирландии. Местные палеонтологи обнаружили способ реконструкции древних позвоночных животных с помощью анализа химического состава окаменевших меланосом из внутренних органов.
Команда использовала синхротронные методы для анализа химического состава ископаемых и современных меланосом с помощью рентгеновских лучей, позволяющих рассмотреть анатомию окаменелостей.
Меланин находится в меланосомах (клеточных структурах — «Хайтек»), которые есть в клетках перьев, чешуи, волос и глаз. По современным птичьим перьям ученые обнаружили, что форма меланосом определяет цветовой оттенок пера. Так, меланосомы в форме палочек кодируют темные оттенки, а шарообразные меланосомы захватывают промежуток от кирпичного до ярко-желтого.
Новизна ирландского исследования состоит в том, что до недавнего времени большинство ученых сосредотачивалось на коже и перьях или шерсти, тогда как в данном случае изучаемый объект, меланин, содержится во внутренних органах. Он подсвечивается в рентгеновском излучении, обозначая контуры органов животных. Доктор Мария Макнамара, автор исследования, говорит: «Это открытие примечательно тем, что оно открывает путь для восстановления детальной анатомии древних животных. В некоторых окаменелостях мы можем четко обозначить легкие, печень, кишечник, сердце и даже соединительные ткани».
Веха реконструирования: ДНК
Большая часть того, что ученые знают о вымерших животных, известно от скелетов. Тем не менее, ДНК, открытая в 50-х, раскрыла тайны, на которые наука еще не могла найти ответ. Лейя Линс из Университета Оклахомы говорит, что на морфологию костей могут влиять окружающая среда и ход жизни животного. Изменчивость так велика, что может сбить с толку и осложнить попытки идентификации останков.
ДНК помогает не только разобраться в отношениях между разными древними популяциями, но и определить место и время возможного возникновения новых популяций с новыми признаками. Объединяя эту информацию с геологическими данными, исследователи реконструируют то, как животные могли реагировать на изменения климата, например, ледниковые циклы.
Древние ДНК могут помочь объяснить исчезновение вида. Недавнее исследование тасманских тигров обнаружило неожиданно низкое генетическое разнообразие у этих животных –– явный признак долговременного сокращения популяции, которое, возможно, началось из-за человека.
«Со временем ДНК деградирует, так что не каждое ископаемое даст необходимое количество материала для восстановления полного генома, набора генов организма», –– говорит Вивиан Слон из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка.
ДНК нельзя использовать через 1-2 млн лет после смерти организма, даже если она хранилась в идеальных условиях, которых в природе практически нет — а потому гены обречены разрушиться. Самая старая последовательность ДНК была извлечена из материала от 700-тысячелетней лошади, замерзшей в Канаде.
Если ДНК сохранилась хорошо, то перед исследователями встает другая проблема –– ее слишком много. Ископаемая кость лошади наверняка сохраняет родные гены, но также содержит ДНК бактерий и насекомых, попавших в кости, или растений и грибов, росших вокруг скелета. Ученым нужно пройти через «шум», чтобы найти ту ДНК, которая им нужна.
Исследования ДНК меняют все процессы биологии. Они не только рассказывают то, о чем люди никогда не узнали бы без секвенирования, но и позволяют играть в Бога –– возрождать вымершие виды.
Один из самых знаменитых исчезнувших видов последнего века –– пассажирский голубь, который исчез в начале 1900-х. Американские ученые планируют вернуть популяцию с помощью ближайших родственников –– голубохвостых голубей. ДНК этих животных идентичны на 97%. Современные технологии позволяют редактировать оставшиеся 3%.
Технически новая птица будет потомком голубохвостого и пассажирского голубя. Если бы речь шла не о генетическом редактировании, то новый организм назвали бы гибридом. Цель ученых –– не точное воскрешение ранее существовавшего, а восстановление экосистем, пострадавших от исчезновения голубей.
Голуби –– не единственный животные, которых хотят вновь выпустить в мир. Ученые работают над восстановлением популяции верескового тетерева, вымершего в США в 1932 году. Еще известнее проект выведения шерстистого мамонта, который вымер 10 тыс. лет назад. Сейчас эти проекты находятся на ранней стадии, но ученые продолжают эксперименты по расшифровке нужных ДНК.
ДНК –– удивительный ресурс для ученых, которые стремятся изучать прошлое и переносить его удачные опыты в будущее. Сегодня более двух десятков лабораторий по всему миру работают с древней ДНК, пополняя общемировую базу генетических данных.