воскресенье, 22 августа 2010 г.

С какой скоростью бегали динозавры

Ранние реконструкции динозавров являли их миру вялыми, неуклюжими, волочащими по земле хвост существами. Такой взгляд на доисторических ящеров бытовал не только среди обывателей, но укоренился и в научной среде. Причем достаточно прочно – он просуществовал вплоть до середины прошлого века. Считалось, что одной из причин, по которой динозавры проиграли эволюционную гонку мобильным и шустрым млекопитающим, была как раз их неповоротливость, медлительность и некоординированность. Что нам известно о подвижности доисторических ящеров сегодня? Действительно ли они были заторможенными увальнями или могли-таки дать фору млекопитающим? Способны ли гиганты среди динозавров были быстро передвигаться, бегать? И если да, то как быстро?




Бег можно определить, как движение животного, во время которого оно оказывается зависшим в воздухе - так называемая воздушная фаза, когда пусть на долю секунды, все конечности животного оторваны от земли. Однако, это определение подходит не всем животным. Известно, например, что у слонов во время бега, хотя бы одна конечность всегда имеет опору с землей, кроме того, многие птицы также способны поддерживать контакт с почвой, даже при быстром беге, например, у цесарок на скорости ниже 7 км/ч отсутствует воздушная фаза.

Бегущая цесарка

Голова Грифовой цесарки. Чем ни динозавр?

Поэтому переход с шага на бег можно рассчитать и иным способом - когда длинна шага превышает высоту животного в бедре в 2 раза. В общем, разобраться, когда животное еще быстро идет, а когда уже бежит, можно. Гораздо сложнее понять, является ли данная скорость бега животного максимальной для его вида.
Так недавно был побит очередной рекорд среди гепардов – самка пятнистой кошки по кличке Сара преодолела стометровку за 6,13 секунды. Предыдущий показатель был – 6,19 секунды. То ли в этот раз исследователям удалось как-то особенно мотивировать животное, то ли оно было просто более подготовлено физически, чем гепард установивший предыдущую планку. В любом случае, это не окончательный результат. В скором времени состоится забег еще одной самки и возможно, что новое животное улучшит показатели своих сородичей.


Рекордные забеги гепарда Сары

Тем не менее, с некоторой долей условности, можно считать, что скорость бега определена для многих современных животных. Тот же гепард – чемпион скорости – способен на пиковый рывок в 110-125 км/ч. Быстрейшее копытное, винторогая антилопа Гарна немного ему уступает со своими 80-105 км/ч. Лошадь способна бежать со скоростью 70 км/ч. У 2,5-тонных носорогов зафиксирован спринт со скоростью 40 км/ч! Впрочем, этот показатель, как и слоновьи 35 км/ч являются оспоримыми величинами – некоторые ученые считают, что носороги и слоны не способны перемещаться быстрее 27 и 25 км/ч соответственно. Почти столько же способен выжать из себя гиппопотам – 25-30 км/ч. Получается, что среднестатистический человек, при условии хорошей дозы адреналина, имеет шанс убежать от этих современных гигантов суши – скорость нашего бега примерно 29 км/ч (мужчины, олимпийские атлеты – до 43 км/ч!).
А смогли бы мы удрать, скажем, от Тираннозавра (Tyrannosaurus)? С какой скоростью мог бежать этот огромный хищник позднемелового периода?


Бегущие слоны

Как определить скорость бега вымершего динозавра, если фиксация максимальных скоростей даже у обитающих вместе с нами млекопитающих, вызывает определенные сложности и разночтения? Каким образом, на основе каких подсказок, измерений, моделей, набор костей можно превратить в движущееся животное? Возможно ли это сделать в принципе?
Ученые попытались. Конечно, результаты их работ оставляют много вопросов и сомнений, но тем не менее…


Идущий Тираннозавр

В выяснении способа и скорости перемещения динозавров помогают, прежде всего, их анатомия, а также отпечатки следов.
Известно несколько мест в мире, богатых на отпечатки следов динозавров. Например, на востоке Юты и в штате Колорадо (на западе США) найдено около 200 таких мест, на каждое из которых приходится примерно по 10 дорожек из окаменевших отпечатков следов. Их оставили более чем 2000 особей динозавров Юрского периода.
Наука о следах – ихнология – позволяет выяснять сразу несколько аспектов из жизни давно вымерших животных. Во-первых, она может подтверждать время возникновения или исчезновения тех или иных больших систематических групп динозавров. Во-вторых, позволяет узнавать манеру передвижения вымерших животных. Так, благодаря отпечаткам следов было показано, что на земле птерозавры передвигались на четырех конечностях, но не на двух, а отпечатки следов цератопсов опровергли бытовавшее предположение, что при ходьбе рогатые динозавры отставляли ноги далеко от средней линии корпуса – нет, цератопсы не передвигались в раскоряку, они ставили ноги под туловищем, подобно современным млекопитающим. Затем, изучение следов помогает понять социальное поведение многих динозавров - вели они одиночный образ жизни или стадный. И, конечно, следы помогают в изучении скорости передвижения древних ящеров!

На рисунке слева - дорожка из следов зауропод. Справа - ребенок в отпечатке ноги зауропода

Благодаря следам, была вычислена скорость передвижения зауропод – эти гиганты суши перемещались совсем не быстро - 4-9 км/ч. Интересно, что одна из описанных уругвайскими палеонтологами Джерардо Маззеттой (Gerardo Mazzetta) и Эрнестом Бланко (Ernesto Blanco) тропинок зауропод из Патагонии, запечатлела, нетривиальный момент из жизни длинношеих ящеров - взрослый гигант и детеныш шли на задних ногах! Ученые предположили, что травоядные были атакованы каким-то хищником, и в качестве защиты (для того, чтобы ошеломить агрессора размерами, а также уберечь уязвимые шею и головы), многотонные динозавры вздыбились на задние конечности.

Прозауропод Платеозавр (Plateosaurus) защищается от нападения двух хищных Дилофозавров (Dilophosaurus)

К сожалению, определить к какому роду зауропод принадлежала эта пара невозможно. Следы не позволяют так точно идентифицировать динозавров. В лучшем случае, по ним можно судить о семействе, к которому относилось животное. Еще следы могут предоставлять информацию о размере, ну и иногда, о приблизительном возрасте особи (детеныш, подросток, зрелое животное).
Следы позволили рассчитать также и скорость передвижения небольших (относительно, конечно - массой до 1-2 тонн) орнитопод и теропод. Они были гораздо быстрее зауропод - их скорость, рассчитанная на основе окаменевших дорожек, составила примерно 25-40 км/ч.
Отпечатков ног крупных теропод практически не известно. Большинство из ранее открытых и приписанных Тираннозавру были в дальнейшем пересмотрены и отнесены к гадрозаврам. Известен лишь один след с севера Мексики, который оставил гигантский хищник. Его длина – 85 см! На основании единственного отпечатка скорость передвижения не рассчитать. Для этого необходимо знать еще как минимум длину шага (скорость равна отношению длины шага к высоте в бедре).

След Тираннозавра

Впрочем, формула, применяемая сегодня для расчета скорости передвижения по оставленным следам, далека от совершенства. Недавние работы канадского палеонтолога Дональда Хендерсона (Donald Henderson), а также ученых из Нью-Джерси Эммы Рэйнфорт (Emma Rainforth) и Мелисы Манзеллы (Melissa Manzella) показали, что чем выше вычисленная скорость динозавра, тем выше процент потенциальной ошибки. Основная проблема – не адекватная оценка высоты животного в бедре. Сейчас эту высоту рассчитывают исходя из длины стопы (фактически, отпечатка). Но чем больше животное, оставившее след и чем более толстая, мясистая у него стопа, тем значительнее разница между размером отпечатка ноги и фактической длинной скелета его ступни. Кроме того, анатомия ступни отличается у различных групп динозавров. И Эмма Райнфорт с коллегой как раз отметили, что имеется высокая вариабельность между длинной ноги и ступни среди 24-х изученных ими динозавров (как двуногих, так и четвероногих). Таким образом, основываясь на работах этих ученых можно сказать, что к величинам скорости, вычисленным на основе отпечатков следов, следует относится с определенной осторожностью, рассматривать их лишь как ориентировочные.
Но есть еще одна полезная информация, которую могут сообщить отпечатки ног – это информация о механизме движения конечностей. Так, благодаря отпечаткам следов Триасовых теропод, оставленных в зыбком, глубоком грунте, ученые получили очень важные данные. А именно, что при всем сходстве в анатомии ног с птицами, тероподы имели одно кардинальное отличие от последних - если у птиц ходьба, бег, зависят в основном от экскурсии в коленном суставе, то у теропод конечность приводилась в движение за счет бедра.

Модель ноги Целофиса, оставляющей след в глубоком грунте. Внизу - анимированная 3D модель.


Именно такой тип движения ног использовал в своих работах американский палеонтолог Джон Хатчинсон (John Hutchinson), занимающийся определением возможной скорости бега Тираннозавра, а также созданием биомеханически выверенной постановки задних конечностей гиганта. Ученый настаивает на том, что поскольку нет данных, что гравитация в Мезозойской эре отличалась от нынешней, то предполагать у короля хищников согнутую, птицеподобную постановку конечностей не возможно. А следовательно, нельзя заподозрить и быстрый бег - согласно его компьютерной модели, чем более согнуты ноги, тем выше должна была бы быть скорость бега у теропод.


Три альтернативных позы нижних конечностей Тираннозавра при беге со скоростью 36 км/ч. Первый вариант - с сильно выпрямленными ногами, второй вариант - на полусогнутых (птицеподобная постановка) конечностях, последний вариант - наиболее предпочтительная поза, с точки зрения Хатчинсона

При ходьбе или беге стопа воздействует на почву с определенной силой, а почва сообщает стопе силу с обратным направлением (т.н. сила реакции почвы). Чем массивнее животное, тем большую силу оно передает на почву и тем, соответственно, больше сила реакции почвы. Балансируют последнюю мышцы-разгибатели ног. Их размер должен быть разумным. Представить себе 6-ти тонного Тираннозавра бегущего на согнутых по-птичьи ногах, при том, что около 99% массы его тела приходится как раз на мышцы этих самых ног, просто невозможно. А именно столько мышц-разгибателей, согласно компьютерной модели Хатчинсона, должно было бы быть у ящера, для обеспечения быстрого (до 70 км/ч) бега, если бы тот сохранял куриную ориентацию задних конечностей. Очевидно, что с ростом массы тела вероятность поддержания позы с согнутыми ногами уменьшается.


Для того, чтобы выбрать оптимальную позу для Тираннозавра, доктор Хатчинсон просеял более 95 миллионов возможных комбинаций сочленений костей задних конечностей. Ученый остановился на некотором диапазоне этих сочленений, в котором сила реакции почвы предполагает размер компенсирующих ее мышц-разгибателей (25% от массы тела) сопоставимый с тем, что есть у ныне существующих животных (от 5 до 40%). Полученная Хатчинсоном поза показывает, что хищник должен был передвигаться на довольно-таки выпрямленных ногах. Это, конечно, не колоноподобная постановка конечностей, как например, у слонов, но углы сгиба в сочленениях заметно больше, чем у птиц.
Стоит еще отметить, что при построении своих моделей ученый рассчитывал согласованную работу 37 крупных связочно-мышечных элементов задней конечности хищного гиганта!

Модель ноги с мышцами. Сайты прикрепления мышц к костям строго соблюдены!

Основываясь на вычисленной им позе с выпрямленными ногами, Хатчинсон заявляет, что наиболее вероятной максимальной скоростью короля хищников Мелового периода были 18-20 км/ч. С массой оговорок автор допускает 30-40 км/ч. Но не более.


Тираннозавр, передвигающийся с умеренной скоростью (модель Хатчинсона)

При этом, согласно компьютерной модели Хатчинсона, небольшие динозавры, такие как Целофис (Coelophysis), размером около 3-х метров и массой в районе 20 кг – в триста раз более мелкий, чем Тираннозавр - были способны обогнать короля ящеров, ну или по крайней мере, держатся в его темпе! Скорость этого триасового целюрозавра доходила до 30-32 км/ч. Интересно также, что юный Тираннозавр, сопоставимый с Целофисом по длине, но в 10 раз более тяжелый, мог бегать со скоростью 40-50 км/ч!
Полученные данные позволили Хатчинсону предположить в частности, что молодые Тираннозавры специализировались на преследовании добычи, в то время, как взрослые, матерые особи переключались на засадную охоту.
Работа британских докторов философии Уильяма Селлерса (William Sellers) и Филлипа Маннинга (Phillip Manning) отчасти подтверждает данные, полученные Хатчинсоном – среди взятых ими в анализ хищных теропод, Тираннозвр оказался самым не быстрым.
Компьютерная модель британских ученых отражает несколько иной подход к симуляции движения животных, чем у предыдущего исследователя - создатели модели учитывали силу, скорость сокращения (основываясь на величинах, полученных для современных животных), места прикрепления и длину мышц, а также связок. Мышцы ног, для всех взятых в анализ динозавров, составляли 30% от массы тела. Тестирование своей модели британские ученые осуществляли на трех ныне существующих двуногих – Эму, Африканском страусе и Человеке.


Сравнение максимальных скоростей бега. Спереди на зад: модель страуса Эму, модель Африканского страуса, человека, Компсогната, Велоцераптора, Дилофозавра, Аллозавра и модель Тираннозавра. Скорость бега моделей страусов и человека, соответсвует таковой в действительности.

Селлерс и Маннинг получили следующие значения: скорость бега Велоцираптора (Velociraptor) – до 40 км/ч, Дилофозавра (Dilophosaurus) – до 38 км/ч, Аллозавра (Allosaurus) – до 32 км/ч и, наконец, Тираннозавр – 28,9 км/ч (что вполне сопоставимо с результатами Хатчинсона).

Максимальная скорость бега динозавров, страуса и Дэвида Бекхама (на основании данных Селлерса)

Но! Поскольку переменные, бравшиеся в расчет модели, не строго однозначны, а допустимо их колебание в некотором интервале, то и скорость, выдаваемая моделью, также имеет существенный диапазон. В своей публикации они его не указывают, но на сайте animalsimulation значится, что максимальная скорость модели Тираннозавра, при физиологически допустимых входных параметрах, может быть от 25 до 54 км/ч! А это уже явно больше того, что рассчитано Хатчинсоном.


Симуляция бега Тираннозавра со скоростью 38 км/ч

К сожалению современные компьютерные модели способны лишь весьма приблизительно рассчитать возможную скорость бега. Для их точности не хватает многих деталей, часть из которых, к сожалению, сложно реконструировать, основываясь только на костных останках. Так, например, авторами работы акцентируется внимание на том, что полученная в модели скорость мелкого (размером всего лишь с индейку!) хищного теропода Компсогната (Compsognathus) составляет аж 64 км/ч! Это мало реально, чтобы такое небольшое существо могло нестись с подобной прытью. Скорее всего, существуют какие-то параметры или силы, не взятые в расчет, которые накладывают ограничение на развиваемую скорость в случае мелких животных. Ну и, конечно, необходимо дальнейшее развитие вычислительной техники, которая позволит рассчитывать более детальные, точные модели, учитывающие гораздо большее количество исходных факторов.

Компсогнат

Таким образом, основываясь на вышеизложенных данных, можно заключить, что среднестатистический человек вряд ли смог бы удрать от Тираннозавра. Даже подготовленный атлет, олимпийский чемпион, если отбросить сомнения Хатчинсона и больше доверять модели Селлерса, не минул бы печальной участи, погонись за ним Тирекс. Вообще все, из рассмотренных хищных теропод, способны были при желании настичь и отведать медлительного двуного млекопитающего Homo sapience.


Публикация-источник (2000)
Публикация-источник (2001)
Публикация-источник (2002)
Публикация-источник (2002)
Публикация-источник (2003)
Публикация-источник (2004)
Публикация-источник (2005)
Публикация-источник (2005)
Публикация-источник (2006)
Публикация-источник (2007)
Публикация-источник (2007)
Публикация-источник (2008)
Публикация-источник (2009)

Комментариев нет:

Отправить комментарий