Самый высокий известный динозавр — апатозавр, представлял собой одно из самых крупных животных на Земле. Правда, совсем не сила ног помешала им стать ещё больше. Главный «виновник» этого — мозг, точнее, его высокая потребность в кровоснабжении.
В Journal of Experimental Biology в 2016 году был опубликован материал, в котором исследуются различные возможные варианты того, как кровь могла перекачиваться в мозг бронтозавра и физические ограничения на длину шеи этого длинношеего ящера.
…Их головы парили в 15-18 метрах над землей: зауроподы были гигантскими животными, примерно такой же высоты и длины, как Белый дом. Представьте себе, какая огромная груда костей и мышц поддерживала 65-тонную массу, эквивалентную весу 30-40 автомобилей вместе взятых. Их шеи в длину достигали 10-12 метров. Их массивному сердцу требовалось давление в 700 мм рт.ст., чтобы доставлять кровь к голове. И это то же самое давление, которое будет дополнительно действовать на наше тело, если мы нырнём на глубину 10 м. Подсчитано, что левый желудочек сердца динозавра весил 2 тонны. То есть, в 15 раз тяжелее левого желудочка сердца китов. Такая огромная сердечная мышца потребляла до 64% всей энергии, необходимой динозавру для жизнедеятельности.
Для того, чтобы решить проблему доставки крови в мозг, зауроподы могли бы жить под водой, но… не смогли. На самом деле эти гигантские животные, возможно, не так быстро исчезли бы с лица земли, если бы держали голову низко. Но тогда неизбежный обморок ждал бы их каждый раз при любом резком поднятии головы её (скажем, на звук приближающегося аллозавра — предвестника тираннозавра рекса), Кстати, в этом случае они бы полностью оправдывали своё прежнее имя — «громовой ящер» («бронтозавр»), поскольку падали бы с невероятным грохотом, однако всё же трудно поверить, что такой конструктивный недостаток прошёл бы естественный отбор.
Возможно, зауроподы имели ряд дополнительных сердец вдоль шеи, но нет никаких других позвоночных животных с серией «насосных станций» на шее, которые могли бы подтвердить эту теорию.
Авторы статьи предположили, что здесь мог бы иметь значение механизм так называемого «мозгового сифона». Всем известно, что сифон может направить поток жидкости вверх, а затем вниз снова без применения внешней силы, преодолевая трение жидкости, протекающей в трубе.
Акт первый: физика «невозможного»
Чтобы проверить свою теорию, австралийская команда биомедицинских инженеров и нейрофизиологов покинула лабораторию и вышла на театральную сцену. Театр оказался идеальным местом для проведения эксперимента, потому что сцена в высоту составила 15 м и была оборудована верёвками, подиумами и шкивами, чтобы поднимать и опускать шторы и реквизит. Всё это помогло создать модель ярёмной вены и сонной артерии зауропода.
Исследователи организовали целый чан искусственной крови, добавив в воду красный пищевой краситель. Затем они заполнили прозрачную пластиковую трубку этой жидкостью, соблюдая осторожность, чтобы избежать любых пузырей, которые бы могли разорвать сифон, и водрузили её на 12-метровую высоту с помощью аппарата. Верхушка в виде изгиба в трубе стала «головой» динозавра. После этого на одном конце трубки исследователи прикрепили небольшой насос, который создал такое же давление, как и в сердце жирафа. Вуаля! Кровь свободно текла к голове модели без массивного насоса или ряда насосных станций.
Однако, в экспериментах обнаружилось две проблемы: во-первых, сифон выходил из строя, как только его поднимали немного выше, чем положено, а во-вторых, происходили серьёзные сбои, если они поднимали трубку выше, чем 12-14 метров. Используя тщательные измерения и математические уравнения, моделирующие гидростатику кровотока в «мозге», исследователи точно определили физические законы, объясняющие оба механизма.
Акт второй: жидкость в движении
Сифон работает таким образом, что столб воды в восходящей части одинаково уравновешен той же массы воды в части нисходящей. Это очень похоже на тяжёлый груз, который с помощью шкива легко уравновешивается противовесом. Но как только столб жидкости поднимается вверх, давление внутри трубки увеличивается, и она показывает большое усилие, направленное вниз от силы тяжести. Это создает отрицательную силу (всасывание). Стенки трубки должны выдерживать разрежение, созданное в сифоне, или они разрушатся. У сифона нет проблем с этим при жесткой трубке или стойком к давлению армированном шланге. Однако но когда пластиковая трубка похожа по прочности на яремную вену (именно такую диализную трубку использовали в эксперименте)… Когда исследователи подняли питаемый «кровью» «мозг» динозавра на 8 метров вверх, трубка лопнула и залила сцену лужами псевдо-крови. Отличный эпизод для Шекспира, но не очень хороший для науки.
После этой неудачи с моделью в натуральную величину исследователи решили сузить масштабы своего эксперимента и вернулись в лабораторию. Они использовали стакан воды и тонкую диализную трубку, через которую продели ПВХ-трубку, заполненную водой. Теория учёных заключалась в том, чтобы относительно непрочную трубку с жидкостью окружить более плотным материалом. В этом случае тонкие стенки «вены» смогут выдержать необходимое отрицательное давление, и не произойдёт коллапса. Спинно-мозговая жидкость, интерстициальная жидкость тела и соединительной ткани, окружающей вены, теоретически могла бы предотвратить крах внутричерепных вен, если бы динозавр поднял голову выше 8 м. Однако…
Акт третий: кипящая кровь
Еще в театре исследователи обнаружили, что, когда они подняли толстостенные трубки выше 12 м, «кровь» начала кипеть на вершине изгиба шланга, воображаемом мозге динозавра. Если бы это был настоящий зауропод, динозавр потерял бы сознание и пузырьки в крови вызвали бы эмболию и инсульт. Это очень похоже на кессонную болезнь аквалангиста, который быстро всплыл, и у которого закипел в крови растворённый под давлением азот. Ведь температура – лишь один фактор, определяющий температуру кипения жидкости. Другим фактором является давление. Любой, кто пытался приготовить что-то в горах, знает, что вода кипит при более низкой температуре на большой высоте. На самом деле, при низком атмосферном давлении, существующем на высоте около 20 километров, что немного ниже максимальной высоты полёта знаменитого самолета-разведчика U-2, кровь кипит при комнатной температуре. Таким образом, пилоты таких самолётов должны носить скафандры, или кабина воздушного судна должна находиться под давлением. Когда исследователи подняли трубку до высоты от 13,4 до 14,2 м, «дино-кровь» кипела на вершине сифона достаточно, чтобы разорвать трубы, и поток жидкости прекратился.
Акт четвёртый: из прошлого в будущее
Это новое исследование объясняет, почему не найдены зауроподы с шеей длинной более 12 м, а также дает представление об их месте обитания и миграции. Эти динозавры должны были обитать на пляжах, или, по крайней мере, они должны были остаться в долинах и невысоких холмах.
Не так давно был найден новый зауропод из группы титанозавров — дредноут. Возможно, его шея была длиннее 12 метров, поскольку палеонтологи не «собрали» пока целый скелет. Еще один претендент на шею длинее «теоретического предела» — это маменчизавр, в 1987 году был обнаружен вид с максимальным для динозавров количеством шейных позвонков (19), и, вероятно, 15-метровой шеей.
«Некоторые из зауроподов, кажется, держали свои шеи горизонтально или близко к горизонтали. Этот вывод о сохранении шеи на низком уровне поддерживается анатомическими особенностями шеи и костей черепа, но мы не знаем наверняка. Зауроподы — это загадка. Они принадлежат к сложной для работы группе из-за их размера, ведь приходится задействовать 4-5 человек, только чтобы притащить из запасника одну кость для её изучения», — приводит портал Brainfacts cлова Джеральда Харриса, палеонтолога из университета Дикси.
Текст: Вера Попович, Алексей Паевский