Почему гигантские доисторические животные стали меньше

Есть веские причины, почему беспозвоночные такие маленькие, как они есть — экология и окружающая среда держат их под контролем. Но было время, когда насекомые были такими же большими, как вороны. Что случилось с этими потерянными великанами?

Сверху купола доносится громоподобный звук, похожий на бой 100 малых барабанов. Существа, прячущиеся в тенях между деревьями, испуганные незваным гостем, разбегаются по лесной подстилке. Со вспышкой радужного крыла нападавший ныряет за жуком-древоточцем, хватает его своими массивными челюстями и улетает прочь. Этот гигантский убийца — грифон по имени Meganeuropsis permiana, названный в честь пермского периода, существовавшего 299–252 миллиона лет назад. Возможно, это самое большое насекомое из когда-либо живших (безусловно, самое большое летающее насекомое в летописях окаменелостей) с размахом крыльев 71 см, что в два раза больше, чем у самых крупных современных стрекоз (и, вероятно, примерно такого же размера и веса, как современная ворона).

Акулы были высшими хищниками пермских морей, а не доисторические морские рептилии, такие как ихтиозавры и лиоплевродоны, которые появляются позже. Главными наземными хищниками пермского периода были терапсиды — четвероногие плотоядные существа с длинными челюстями и острыми как бритва зубами. Хотя некоторые из них, такие как горгонопсия, внешне не отличались от крупных саблезубых грызунов или маленьких коренастых собак, они не были млекопитающими. Это был период, когда царствовали гигантские насекомые.

M. permiana - один из многих примеров пермских насекомых, которые превосходят своих современников. Другие беспозвоночные тоже достигали гигантских размеров в прошлом — Arthropleura, родственники современных многоножек, достигали более 2 м в длину, весили около 50 кг и бродили по лесам каменноугольного периода 358–298 миллионов лет назад перед вымиранием, которое произошло в начале пермского периода.

Чтобы правильно ответить на этот вопрос, важно рассмотреть, что ограничивает рост различных животных. Одна из гипотез о том, как пермские насекомые стали такими большими, заключается в том, что уровень кислорода в атмосфере был выше, чем сегодня (в пермский период он составлял 30% по сравнению с сегодняшними 21%). Насекомые дышат через дыхальца — отверстия по бокам их тела, которые ведут к сети трубок, содержащих жидкость, в которую диффундирует кислород, а затем поглощается мышцами. «Это неэффективный способ дыхания по сравнению с тем, как дышат люди», — говорит Тим Кокерилл, телеведущий и энтомолог Фалмутского университета в Великобритании, держа на ладони гигантского тропического плодового жука из Западной Африки. «Это в значительной степени предельный размер большинства насекомых сегодня. Если бы насекомые были больше, чем сейчас, они просто не могли бы дышать таким же образом (при 21% атмосферного кислорода)».

«Если мы посмотрим на этот скачкообразный график повышения и понижения уровня кислорода с течением времени, то он почти точно соответствует размеру самых крупных насекомых того времени», — говорит Кокерилл. Но один только уровень кислорода в атмосфере может быть не единственной причиной различий в размерах насекомых. Обилие мелкой добычи и отсутствие птиц (которые ещё не появились на древе жизни) также могли способствовать процветанию беспозвоночных.

Летопись окаменелостей полна примеров других доисторических животных, которые затмили бы своих современных родственников. Другим таким примером является Jaekelopterus rhenaniae, гигантское членистоногое, которое вырастало до 2,5 м в длину (представьте себе огромную мокрицу или жука pill bug с ужасными когтями) и существовало в девонский период — примерно за 100 миллионов лет до пермского периода. J. rhenaniae иногда называют «морским скорпионом», потому что его длинное сегментированное тело с большими когтями на одном конце и тонким хвостом на другом придавало ему мимолётное сходство с его современными родственниками, к которым также относятся крабы, омары, пауки, многоножки, пчёлы и муравьи.

Все самые крупные современные членистоногие обитают в море, причём самым большим является японский краб-паук, достигающий 3 м. У членистоногих есть экзоскелеты — твёрдые внешние оболочки, которые защищают их от хищников. Они растут, сбрасывая эти экзоскелеты, чтобы открыть под ними новую мягкую оболочку. Для более крупных видов может потребоваться несколько часов или дней, чтобы новый экзоскелет затвердел, оставив животное вялым и уязвимым.

На суше это ограничивает рост беспозвоночных. Из-за слишком больших размеров новая оболочка будет деформироваться под действием силы тяжести. Однако в воде мягкое тело поддерживается, что позволяет беспозвоночным расти больше, прежде чем их тела станут слишком громоздкими. Позвоночные животные, такие как млекопитающие и динозавры, также ограничены в том, насколько большими они могут вырасти под действием физических сил.

Большой размер затрудняет движение и требует больше энергии для создания кровяного давления, необходимого для циркуляции крови по их системам. Даже сделать вдох становится труднее из-за усилия, необходимого для надувания лёгких под напряжением большого тела. В то время как самыми массивными животными на суше являются африканские слоны, водные млекопитающие снова во много раз крупнее. Взрослый синий кит, самое крупное из когда-либо живших животных, весит около 180 000 кг, или столько же, сколько 40 слонов. Такой размер может быть достигнут только в воде, где поддерживается движение. Без плавучести воды их органы могут быть быстро раздавлены собственным весом тела.

Современные и доисторические гиганты, такие как киты, слоны и динозавры-зауроподы с длинной шеей, как правило, травоядны. Отчасти это связано с теплом тела и обменом веществ. У более крупных животных отношение площади поверхности к объему больше, а это означает, что слон, например, имеет больший объём по сравнению с площадью поверхности его кожи, тогда как у мыши объём гораздо меньше по сравнению с площадью поверхности. Это означает, что более крупные животные сохраняют тепло тела гораздо эффективнее, чем более мелкие, что является одной из причин, почему млекопитающие с большим объёмом, такие как слоны, носороги и бегемоты, относительно безволосые и должны охлаждаться другими способами, такими как грязевые ванны. Другая причина заключается в том, что их растительная диета выделяет много энергии в виде тепла во время пищеварения.

«Слоны — это, по сути, гигантские ходячие чаны для брожения, гигантский динозавр — это, по сути, ходячая пивоварня, поэтому они выделяют много тепла», — говорит Кейт Лайонс, доцент биологии Университета Небраски, США.

Динозавры-зауроподы, в том числе огромные аргентинозавры и диплодоки, имеют воздушные мешки вдоль скелета, как у современных птиц. «Это даёт динозаврам две вещи: позволяет им рассеивать тепло, которое они производят, а также позволяет им иметь более лёгкие кости, но при этом иметь достаточную поддержку для своей массы», — говорит Лайонс. Они развились до своего огромного размера, потому что могли контролировать тепло, выделяемое пищеварением. «Но если бы вы попытались взять динозавра-зауропода и сделать его размером с землеройку, он бы не выжил», — говорит Лайонс. «И наоборот. Если вы попытаетесь взять землеройку с её метаболизмом и сделать её размером со слона или динозавра, это не сработает, потому что у неё просто не будет достаточно энергии для выживания».

Окружение тоже играет роль. Шерстистые носороги и шерстистые мамонты, ареал которых простирался от Северной Европы через Сибирь до Северной Америки во время плейстоценового ледникового периода (от 2,5 до 11 000 лет назад), нуждались в косматой шерсти, чтобы выдерживать низкие температуры. Летописи окаменелостей показывают, что пик численности такой мегафауны приходился на переходы между холодными и тёплыми периодами. В это время пищи было больше, но она не становилась слишком тёплой для этих больших зверей. В плейстоцене также были гигантские млекопитающие, которые жили и в более тёплых краях, такие как гигантский наземный ленивец (6 м от головы до пят) из Южной Америки.

Гипотетически, если таблицы размеров снова перевернутся, кто окажется на первом месте? Смогут ли гигантские беспозвоночные снова править планетой?

Немного отвратительно думать об этом, но, к счастью, Кокерилл и Лайонс были готовы ответить на этот и некоторые другие идиосинкразические вопросы. Одной из первых вещей, с которой столкнулся Кокерилл, было то, сможет ли блоха размером с человека перепрыгнуть Эмпайр-стейт-билдинг. «Есть что-то универсальное в физике размеров животных и физике мышц», — говорит он. «По мере того, как мышца становится больше, она становится, условно говоря, менее мощной. Таким образом, чем крупнее животное, тем менее мощными его мышцы для его размера тела. Если мы увеличим блоху до размера кенгуру, она, вероятно, сможет прыгать только как кенгуру».

Это связано с тем, что пропорция силы мышцы зависит от площади её поперечного сечения или площади мышцы, разрезанной пополам. Независимо от того, насколько большой может вырасти блоха, их прыгучесть будет ограничена. Хотя есть некоторые фундаментальные причины того, что животные имеют такой размер, какой есть, всё же есть некоторая гибкость. Одно животное может стать намного больше или меньше, чем другое животное того же вида всего в нескольких километрах от него. Это иногда описывается как «правило острова», когда крупные животные становятся меньше на островах, а более мелкие — крупнее. Может случиться так, что более мелкие животные, которые, как правило, находятся ниже в пищевой цепочке, высвобождаются на островах в отсутствие их обычных хищников и становятся больше, чем их материковые собратья. В то время как более крупные животные, ограниченные отсутствием пищи, уменьшаются.

Полуостров Гаргано, образующий шпору на задней части итальянского сапога, даёт несколько примеров в летописи окаменелостей. С позднего миоцена до раннего плиоцена (около 5,3 миллиона лет назад), когда уровень Средиземного моря был выше, Гаргано был отделён от материковой Италии, и остров был наводнён гигантскими тварями. Волосатые ежи (также известные как Гимнуры - лунные крысы) затмили своих собратьев с материка. Один вид, Deinogalerix koenigswaldi, имел череп длиной 20 см. Были также гигантские хомяки (Hattomys gargantua), массивные выдры (Paralutra garganensis) и гигантские совы (Tyto gigantea, крупнее, чем самые крупные виды, встречающиеся сегодня).

В другом месте вид человека — Homo floresiensis — является возможным случаем островной карликовости. Названный «хоббитом» из-за своего миниатюрного размера, первый экземпляр H. floresiensis был найден на индонезийском острове Флорес, и считается, что ему 95 000 лет. Одна из теорий состоит в том, что H. floresiensis является карликовым потомком H. sapiens или, возможно, карликовым H. erectus. Хотя его происхождение неясно, эти маленькие люди, казалось, процветали только на этом острове в течение тысяч лет. Но доказательства «правила острова» отрывочны (биолог, который первым предложил его, только предположил, что примеров, соответствующих правилу, больше, чем исключений, но не сказал, что оно всегда применимо).

Хотя это хорошая идея, возможно, дело в том, что размеры животных более гибкие, чем люди думают. В самой высокой стране, Нидерландах, мужчины достигают в среднем 184 см, а женщины — 170 см, в то время как в самой низкой стране, Тиморе-Лешти, рост мужчин составляет 160 см, а женщин — 153 см. Диета и окружающая среда играют большую роль в том, почему голландцы прибавили 20 см к своему среднему росту за последние два столетия, но большую роль также играет половой отбор. Быть высоким в Нидерландах более привлекательно, поэтому голландцы продолжают расти.

Наши двоюродные братья H. floresiensis, которые были крошечными 106 см, могли быть результатом островного правила — невысокими, потому что было меньше еды. Или они могли быть такими маленькими, потому что низкий рост был для них привлекательным. Или оба фактора, или ни один из них.