Ефирен динозавър Телеполис

По-нови знания за дихателните органи на динозаврите, които позволиха високоефективно дишане

В "Остров от предния ден" Умберто Еко се позовава на "Моби Дик": Ако е редно и справедливо Херман Мелвил да включи цяла глава за китовете в романа и умело да обясни кетологията, Еко иска и глава за систематиката на Да има папагали в собствения си роман - което той и направи. Точно преди Нова година на нас, простосмъртните, трябва да бъде позволено да предложим на читателите глава за динозаврите.

Динозаврите винаги са очаровали учените и широката общественост. Всяка година се откриват нови вкаменелости, добавяйки допълнителни части от пъзела към цялостната картина на тези живи същества. Пернати динозаври, дори по-големи и по-мощни животни и дори по-ранни роднини на птиците редовно се откриват на всички континенти, включително Антарктида.

Едва през последното десетилетие беше открита вълнуваща област на изследване, свързана с дихателните органи на динозаврите: става въпрос за въздушни торбички, онези органи, които помагат да се определи дишането при птиците и в същото време ги прави много лесни за полет. Оказва се, че динозаврите също са имали такива пневматични конструкции в телата си, което ги прави по-леки, но най-важното, дишайки по-ефективно. Динозаврите черпят много повече кислород от въздуха, отколкото бозайниците могат да извлекат (измерено на единица площ от белите дробове). Заедно с техните потомци, птиците, те бяха най-ефективните електроцентрали за животни, които природата някога е произвеждала.

Атмосферен кислород

Кислородът е станал толкова важен за дишането, защото реагира бързо с много други елементи и отделя много енергия в процеса. Атмосферният кислород почти не е бил достъпен в началото на земното развитие. След появата на живота и фотосинтезата на растения и водорасли, количеството кислород в атмосферата постепенно се увеличава: все повече и повече от него се произвежда, докато океаните абсорбират значителни концентрации на въглерод, които иначе биха свързали кислорода веднага.

В продължение на милиони години процентът на кислород в атмосферата следователно постоянно се дължи на условията на живот на земята. Ако залесените площи са станали по-малки поради геоложки явления или тектонични процеси, делът на кислорода в атмосферата също е намалял. Докато делът на кислорода се увеличава през епохите, в които е избухнала растителността на земята. Днес дишаме в атмосфера с 21% кислород. Има обаче геоложки епохи, в които този дял пада до 10%, а други, при които делът се увеличава с до 30%.

Фигура 1 показва крива на постулираната концентрация на кислород в земната атмосфера през последните 600 милиона години. Въпреки че границите на грешките за всяка епоха не са незначителни, все още можете да видите ясно намаляване на съдържанието на кислород в триаса (преди около 250 милиона години), което след това бавно се компенсира в юрата. Това е възрастта на динозаврите.

Никой не е посочил връзката между морфологията на животните, дишането и кислорода в атмосферата по-ефективно от Питър Уорд в работата си "Out of Thin Air" (2006), от която е взета фиг. Книгата понякога изглежда като широкомащабно монокаузално обяснение на живота на земята, но е ценна поради острите си твърдения, които след това могат да бъдат фалшифицирани с палеонтологични открития.

Тезата на Уорд е проста: предшественикът на динозаврите е развил ефективно дишане преди повече от 250 милиона години. Вместо да вдишва въздух в белите дробове (задънена улица) и след това да го издишва като бозайниците (губейки половината от времето, достъпно за прием на кислород), въздухът се оставя да тече през бронхите на динозаврите без прекъсване и само в една посока, както в днешните птици. Това означава, че повече въздух се извлича от въздуха за единица време и единица белодробна площ. Птиците могат напр. прелитат над Алпите или дори Хималаите, на височини, на които бозайниците незабавно биха загубили съзнание.

Тази адаптация към ниската концентрация на кислород от триас и юра дава на динозаврите контрол над земята. Изчезнаха по-малко ефективни и по-бавни животни. По времето на динозаврите бозайниците са могли да заемат само няколко екологични ниши - те са били нощни и с ограничени размери.

За такъв подвиг птиците използват въздушни торбички, които се разпределят в тялото. При вдишване въздухът преминава през белите дробове, но също така запълва въздушните торбички в предната и задната част на тялото. Докато издишвате, въздушните торбички, които работят като духал, се издуват и въздухът продължава да тече през бронхите и навън. По този начин бронхите постоянно се снабдяват с чист въздух. Фиг. 2 показва как това "турбо зареждане" работи при птиците чрез сътрудничеството на предните и задните въздушни торбички.

Като бозайник човек иска да има такава ефективна дихателна система, защото въздушните торбички позволяват следното:

С такива дихателни органи динозаврите имаха повече енергия и издръжливост от другите животни. Докато някои от днешните малки влечуги не могат да тичат и дишат едновременно, динозаврите са имали по-дълъг дъх, когато са гонени.
Въздушните торбички увеличават повърхността на тялото, което животните могат да използват за по-бързо охлаждане. Това би било много важно за динозаврите с техните масивни тела. В допълнение, всичко работи напълно автоматично: Повече усилия генерират повече кислороден поток и по този начин по-голяма охлаждаща способност.
Въздушните торбички водят до по-леко тяло. Ако животно тежи няколко тона, всяко кухо пространство помага да се спестят килограми. Динозаврите и птиците изглежда са довели тази „пневматичност“ до крайности.

Следователно на динозаврите може да се гледа като на пъргави електроцентрали. Те също бяха леки, тъй като бяха обикновени и просто подути. В Theropoda, с изправената си походка, белите дробове също бяха отделени от мускулните движения на краката.

Пневматиката

Значението на въздушните торбички за намаляване на теглото на динозаврите всъщност не е нищо ново. Още в началото на 20-ти век се подозира съществуването на въздушни торбички въз основа на изследвания на гръбначния стълб на динозаврите.

При птиците въздушните торбички не трябва просто да се представят като кръгли джобове, а като структура с много дълги процеси (наречени дивертикули), които проникват в костите. Костният материал просто се заменя с „въздушна възглавница“. Това прави костите по-леки без много структурни загуби (някои кости на птици също са до голяма степен кухи и вътрешно имат структура с различни напречни греди, както при крановете).

Фигура 3 показва сравнение на съвременна птица с Теропода. Има въздушни торбички отзад и отпред, които спомагат за ефективното дишане и прониквайки в костите, правят врата и гръбнака по-леки.

През 2008 г. имаше сензация с първото подробно описание на Aerosteon Riocoloradensis, което беше открито в Аржентина през 1996 г. 1 Както подсказва името, Aerosteon е проникнат от въздушни торбички. В ключицата, гърдите, задната тазова област и корема имаше въздушни торбички. Значението на въздушните възглавници като структурен материал в структурата на тялото на динозаврите отново беше в центъра на морфологичните анализи.

Подобни сравнителни проучвания са подтикнати и от докторска дисертация, публикувана по същото време. През 2007 г. Матю Ведел представи дисертация за пневматиката на динозаврите. Работата описва кухините в костите на динозаврите, които са изненадващо подобни на тези в костите на птиците. Знаем, че при птиците тези кухини са проникнати от дивертикулите на въздушните торбички и че сравнително голям обем може да бъде запълнен с тях (за да докажат това, патиците трябваше да повярват в това преди две години, чиито въздушни торбички бяха напълнени и приготвени с течен латекс)

Ведел показа, че предните и задните гръбначни колони на птиците се пробиват съответно от предните и задните въздушни торбички. Средният гръбначен стълб обаче е проникнат едва в края на развитието на птицата. Понякога развитието спира преждевременно и средният гръбначен стълб остава като твърди кости. Ведел успя да определи абсолютно същото в фосилите на динозаврите, като по този начин демонстрира паралелно развитие на птиците.

Фиг. 4 е много илюстративна в този контекст. Той показва гръбначния стълб на динозавър с дълга шия (както може да се възхищавате в Берлинския природонаучен музей) .3 Въздушните торбички са обозначени в синьо и както виждате, голяма част от пространството във врата на този динозавър е изпълнено с въздух. Ето защо някои изследователи смятат, че въздушните торбички са донесли на динозаврите спестяване на тегло до 20%.

Не всички динозаври са развили въздушни торбички. Така наречените тазови динозаври нямаха полза от него. Те са възникнали, когато съдържанието на кислород в атмосферата вече се е повишило отново - според хипотезата на Питър Уорд. Птерозаврите, от друга страна, летящите динозаври, имаха въздушни торбички и ги използваха както за дишане, така и за отслабване.

Изненадващо е обаче, че еднопосочното дишане е открито и при крокодилите през 2010 година. Крокодилите нямат въздушни торбички, поради което тяхното вдишване и издишване отдавна не е изучавано. При разследвания върху трупове обаче беше установено, че крокодилите, подобно на птиците, могат да вдишват въздух през един канал и да издишват през втори канал.4 Това би означавало, че така наречените архозаври вече са измислили еднопосочно дишане и че динозаврите разполагат само с въздушните торбички за това нововъведение допринесе.

Напоследък обаче са открити повече влечуги, които също практикуват еднопосочно дишане, което бавно увеличава броя на известните видове с това свойство. Наскоро беше показано, че дори бавните комодски дракони могат да дишат еднопосочно, което означава, че моментът във времето, когато е създадена тази форма на усвояване на кислород, е отложен преди 270 милиона години

Обаче все още няма пълна сигурност с разследванията на динозаврите. Измерванията на съдържанието на кислород в атмосферата в праисторически времена могат да се извършват само косвено (напр. Като се използват минералите, присъстващи в различните слоеве на земята). Други видове измервания понякога водят до резултати, които поставят в перспектива големите колебания в съдържанието на кислород в атмосферата, напр. ще бъдат използвани химичните свойства на кехлибара.6 Тогава вече няма да е толкова ясно, че динозаврите са били принудени да въведат или подобрят еднопосочното дишане. Би било по-скоро съвпадение. Палеонтолозите обаче се отвращават от теоретичния вакуум.

Въздухът като структурен материал

Примерът с птици и динозаври показва, че въздухът също може да играе роля в биологията като структурен материал чрез пневматика. Хидравличните задвижващи механизми (ако можете да говорите за биологични неща по този начин) са добре известни и не е нужно да давам никакви специални примери. Или може би само едно нещо, а не това, което читателят може да има предвид: паяците опъват краката си с хидравлично налягане. Докато мускулите могат да свиват краката, обратното движение се създава чрез натиск върху течност в краката на паяка.

Но пневматиката също може да постигне нещо. За дългата шия на Diplodocus напр. Икономията на тегло беше много важна (шията може да бъде с дължина до 15 метра). Изкуствени модели на прешлени в областта на шията са изградени в лабораторията с въздушни тръби и е доказано, че не само сухожилията могат да движат врата и да я държат изправена, но и сгъстеният въздух може да помогне и от въздушните торбички. Плътността на шийката Diplodocus може да бъде намалена от въздушните торбички под 500 g на литър. Динозаврите просто не можеха да потънат във водата.

Въздухът в кухините играе важна роля не само в биологията, но и в технологиите. Както показва примерът с динозаврите, пневматичните елементи могат да изпълняват структурни задачи. В технологията за автоматизация напр. Пневматичните изпълнителни механизми се използват отдавна. Повдигащите възглавници, работещи със сгъстен въздух, също развиват големи сили. Бейзболен стадион в Токио беше изцяло покрит с плик от елементи на сгъстен въздух. В много градове има тенис зали, които се състоят само от палатка със сгъстен въздух. Въздухът наистина е отличен и неведнъж подценяван „строителен материал“.

И дори ако описаното тук изследване на динозаврите остави повече въпроси без отговор, отколкото може да отговори по отношение на еволюцията на въздушните джобове, отново може да се обърнем към Мелвил, който отбелязва в главата за кетологията на „Моби Дик“: Малките проекти приключват бързо; но завършването на наистина страхотни проекти, като този на Кьолнската катедрала, може уверено да бъде оставено на бъдещите поколения.

Повече фосили и по-добри техники за измерване след време ще дадат отговори на всички въпроси, повдигнати тук.