Состав костей некоторых из самых крупных динозавров, населявших планету, включает минерал гидроксиапатит, который присутствует также в человеческом скелете, а также в мелких лягушках и легких птицах. У гигантских динозавров эти кости могли выдерживать десятки тонн и еще большие нагрузки во время движения, включая ситуации, когда они стояли на двух ногах. Тем не менее, редко встречаются окаменелые кости этих животных с признаками стрессового перелома. Возникает вопрос, как это возможно, учитывая, что гравитационные условия Земли с Юрского периода до наших дней оставались неизменными.
Новое исследование объединило палеонтологов и физиков для ответа на этот сложный вопрос путем анализа ископаемых савроподов — гигантских травоядных динозавров, известных своими длинными шеями и хвостами. Результаты показали, что внутренняя организация костей является частью объяснения.
В ходе работы было рассчитано давление, оказываемое весом тела различных видов этой группы на кости, и установлено, что оно было значительно ниже уровня, необходимого для возникновения компрессионного перелома. Однако возник вопрос: каким образом это достигалось? Первый автор статьи, Тито Аурелиано, исследователь Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти (UFRN) и Университета штата Кампинас (Unicamp), пояснил: «Ответ должен находиться в расположении тканей, в архитектуре костной микроструктуры. Поэтому мы собрали данные о конфигурации костной ткани ног различных видов и особей савроподов, чтобы оценить, насколько нагрузка на лапы приближалась к пределу разрушения костей».
Анализы свидетельствовали о том, что по мере увеличения размеров видов структура кости приобретала характеристики, способствующие лучшему распределению веса и повышению сопротивляемости, что исключало необходимость в постоянном увеличении толщины костей. Таким образом, хотя увеличение кортикальной толщины (внешнего слоя костей) связано с ростом гравитационных нагрузок у всех неосавроподов, это, возможно, не было главным эволюционным ответом.
У разных линий наблюдались различные биомеханические стратегии. Авторы отмечают, что диплодокоиды (динозавры-савроподы с хвостообразным хвостом) сохранили центр масс позади, что соответствовало возможности выборочного вставания на две ноги. В то же время брахиозавриды сместили этот центр масс вперед за счет гипертрофии шеи и передних конечностей. Группа титанозавров достигла экстремальных размеров посредством вторичной ремоделирования костей — процесса, при котором ткань, сформированная во время быстрого роста животного, реабсорбируется и замещается плотной костью — а также благодаря большому количеству воздушных полостей (pneumatic cavities) в костях скелета, расположенных ниже черепа.
Аурелиано подчеркнул, что биомеханика уже является хорошо устоявшейся областью палеонтологии. Он добавил: «Мы объединили ее с палеоистологией, изучением окаменелых тканей. Костная ткань биоминерализована, поэтому мы можем работать с коллегами из физики материалов для создания моделей, объясняющих явление гигантизма».
Профессор Гильерме М. Сипахи из Института физики Сан-Карлос (IFSC), соавтор статьи, заявил Журналу USP: «Кость не является совсем кристаллом, но имеет кристалл в своем составе». Физик, изучавший кристаллы и полупроводники, отметил, что «кристалл, с которым я работаю, обладает теми же упругими свойствами, что и кристалл, входящий в состав кости». Исходя из этого, он предположил: «возможно, мы могли бы рассмотреть это с более или менее общей точки зрения, как именно определяется предел разрушения этой кости». Он сообщил, что выполнил все расчеты, математический и физический анализ исследования, а также связанные графики.
Масштаб колосса, достигнутый некоторыми животными, сам по себе является объектом множества других исследований в области эволюционной науки, и некоторые гипотезы обретают силу. Тито Аурелиано считает, что «гигантизм является ответом селективного давления между жертвами и хищниками в эволюционной гонке. Некоторые группы животных стали гигантами с Юрского периода до наших дней».
По его мнению, наибольшее преимущество заключается в защите: «Взрослый животный организм более защищен от атак хищников того же размера или меньшего». Однако жизнь гиганта не так проста, как кажется. Для начала требуется огромное количество пищи и воды для достижения больших размеров за короткий срок. «Это делает гигантское животное уязвимым к изменениям окружающей среды и климата. В фоссильнике возрастов различного периода мы замечаем, что самые крупные животные первыми вымирают при внезапных экологических катастрофах».
Среди вопросов, движущих исследователей в этой области, находится понимание того, как каждая линия стала гигантской, особенно с точки зрения анатомических адаптаций к колоссальным размерам. Аурелиано объясняет, что в случае с шеистыми динозаврами пневматический скелет — то есть кости позвоночника с воздушными полостями — в сочетании с толстыми и крепкими лапами и суставом, позволявшим вертикальную позу на четырех ногах (в отличие от согнутого сустава, как у рептилий и крокодилов), способствовал развитию гигантских организмов в этой линии.
При этом он акцентирует внимание, что не существовало единого «эволюционного рецепта», который открыл путь к появлению гигантских животных. «Гигантские млекопитающие, такие как мастодонты и гигантские ленивцы, имели различные адаптации по сравнению с огромными динозаврами, такими как титанозавры и стегозавры. Мы хотим понять эти биологические решения, которые решили механические проблемы, налагаемые гравитационными условиями нашей планеты».
Гильерме Сипахи вспоминает, что набросок статьи возник во время непринужденной беседы с Тито Аурелиано в дороге в аэропорт, когда палеонтолог посетил Сан-Карлос в качестве гостя проекта по популяризации науки Ciência, который курировал Сипахи.
Для физика хорошая наука включает ту, которая создается творчески. «Это творчество иногда приходит просто из разговора с одной областью, из привнесения концепции из другой области, пусть даже простой, внутрь другой» говорит он. «Идея, которую мы предложили, проста, но у меня была возможность представить результат, который палеонтологи могли бы затем проанализировать». По его мнению, лучший момент наступает, когда путем объединения знаний из разных областей достигается иной способ мышления.
Тито Аурелиано приводит другие примеры сотрудничества между областями. «Физика помогает нам рассчитать скорость ходьбы и бега динозавров на основе окаменелых следов, понять их силу укуса, механику их скелета, а также помогает в абсолютном датировании многих месторождений ископаемых, где содержатся минералы с радиоактивными элементами. В общем, существует множество применений», — перечисляет он, подчеркивая, что дисциплины знания имеют искусственные подразделения, поскольку «космос является междисциплинарным».
