Все помнят кинофильмы с пугающими сценами нападения гигантских доисторических животных на людей. Действительно, вообразить ситуацию, в которой человек по какой-либо причине (например, вследствие неудачного эксперимента) оказался лицом к лицу с динозавром, несложно. Но что говорит наука о наиболее вероятном исходе такой встречи? Иными словами, могут ли ученые с достаточной степенью уверенности судить о физических возможностях давно исчезнувших с лица Земли исполинов?
Хорошо ли быть большим
В 1926 году известный шотландский биолог-эволюционист Дж. Б. С. Холдейн написал небольшое научное эссе «О целесообразности размера». В нем ученый с помощью наглядных примеров показал, насколько тесно вес животного связан с его конституцией, физическими способностями и образом жизни.
Например, мышь может практически без вреда для себя упасть на дно шахты почти километровой глубины. Крыса такого падения, скорее всего, не переживет, хотя, упав с высоты одиннадцатого этажа, останется невредимой, в отличие от более тяжелых животных.
Холдейн не рассматривал вопроса о том, что случится с 9-тонным динозавром, упади он в шахту. Но можно представить себе результат, если учесть, что удар о землю произойдет с силой около 120 тонн на скорости 275 километров в час.
Цель этого мысленного эксперимента – продемонстрировать, насколько различны отношения с силой земного притяжения у крупных и мелких животных. Эти отношения описываются так называемым законом квадрата – куба, который показывает, что при увеличении объекта его объем (а, значит, и масса) возрастает по кубической зависимости, а площадь поверхности – всего лишь по квадратичной. Поскольку площадью тела определяется сопротивление воздуха, замедляющее падение, а массой – сила удара, становятся понятными различия в судьбе мыши и динозавра при падении.
Ти-рекс на беговой дорожке
Этот же простой закон диктует разницу в предельных скоростях, которых могут достичь животные того или иного размера. Поэтому человеку, вдруг встретившему на прогулке, к примеру, тираннозавра, не следует паниковать: убежать от внушающего трепет могучего гиганта будет нетрудно именно потому, что он так устрашающе огромен.
Взрослый тираннозавр рекс был невероятно мощным. При росте с жирафа он весил около девяти тонн, обладал длинными ногами и огромными мускулами. Но он не мог быстро бегать по той же причине, по которой на дне шахты его ожидал бы драматический конец.
Дело в том, что прочность костей животного растет пропорционально площади их поперечного среза, то есть подчиняется квадратичному закону, а нагрузка на скелет – кубическому. Существует предел, за рамками которого животное с определенной конституцией уже не сможет бегать, и тираннозавр близок к этому пределу. Кости его ног просто не выдержали бы быстрой пробежки, несмотря на мощную мускулатуру.
Биологи считают, что максимальная скорость, которую мог развить ти-рекс, не превышала 21 километра в час. Кажется, что этого многовато для человека со средней физической подготовкой, однако шансы убежать от неповоротливого гиганта будут вполне реальными.
Размер и сила
Конечно, в воображаемом приключении тираннозавр вряд ли станет единственной проблемой путешественника. Ему встретятся хищники различных размеров, и неплохо было бы иметь представление о том, кого следует опасаться в первую очередь.
Наиболее опасными окажутся динозавры среднего размера и веса. Действительно, если взглянуть на наиболее крупных и сильных животных – китов, слонов, носорогов, – видно, что они далеко не самые быстрые. Мелкие существа, такие как мыши, тоже не развивают больших скоростей. Настоящие спринтеры – дельфины, гепарды – принадлежат к среднему размерному классу.
Означает ли это, что для наибольшей скорости существует оптимальный размер (и вес)? Биолог Мириам Хирт из Немецкого центра исследований биоразнообразия выяснила, что это действительно так.
Максимальная скорость животного является результатом действия двух факторов. Первый – это общая мышечная сила животного, которая растет вместе с его массой. Второй фактор – способность ускорять эту массу – не масштабируется. Он зависит от энергии, запасаемой в мышечных волокнах, и определяется обменом веществ.
Организм мелкого животного вырабатывает меньше энергии, и ему требуется пропорционально большее количество пищи. Если бы человеческий уровень метаболизма соответствовал мышиному, нам пришлось бы усваивать до 12 кг пищи в день. С другой стороны, крупные существа, обладая более эффективным метаболизмом, слишком массивны.
На основе своих расчетов Хирт построила график, отражающий взаимосвязь между размерами и скоростными качествами. Он показывает, что хорошо подготовленный человек превзойдет в скорости любое животное, вес которого превышает 3 тонны.
Оценить скорость поможет… маятник
Однако ниже этой границы на быстроту животного влияют и другие факторы. К примеру, человек и гепард, обладая близкими по значению массами, бегают с совершенно разными скоростями, которые определяются различиями в строении их тел. Как же оценить, насколько быстрым было вымершее животное, основываясь только на ископаемых костях и окаменелых следах?
В 1976 году британский биолог Роберт Александер установил, что динамика бега всех животных – от хорька до носорога – в общих чертах подчиняется единому закону. Благодаря ему движения разных по строению животных можно сравнивать, приближенно моделируя их как колебания маятников различных размеров.
Поскольку для описания движения маятника достаточно знать его длину и угол отклонения, ученые получили возможность оценить быстроту бега динозавров, основываясь только на данных о размере бедренной кости и длине шага. Объединив данные Хирт с уравнением Александера, палеонтологи получили представление о скорости бега для 71 вида динозавров.
Произведенные расчеты дают весьма грубую оценку, однако способствуют лучшему пониманию морфологии, поведения и эволюционной истории этих животных. Так, стало ясно, что длинные ноги тираннозавра развились не как приспособление для быстрого бега. Их образование сопутствовало повышению эффективности ходьбы и выносливости. Иными словами, ти-рекс не стал бы бегать за добычей – для него гораздо выгоднее было преследовать ее спокойным шагом.
Забег с динозаврами
Вероятнее всего, такой гигант, как тираннозавр, даже не заинтересовался бы человеком: он явно предпочитал более крупную добычу – трицератопсов или эдмонтозавров. Но юрские и меловые ландшафты изобиловали небольшими проворными хищниками. Схематические изображения показывают, каковы были их скоростные показатели.
- Дромеозавриды, известные так же как рапторы. Динозавры этого семейства, к которому относился и знаменитый киногерой велоцираптор, наиболее близки к современным птицам. Согласно расчетам, они могли развивать скорость от 24 до 32 км/ч, и убежать от них было бы трудно, но возможно при наличии спортивной подготовки.
- Альбертозавр – родственник ти-рекса – бегал, возможно, еще быстрее – до 35 км/ч. Это был весьма опасный хищник.
- Дельтадромеус, несмотря на значительные размеры, был, по-видимому, очень легким, подвижным активным хищником и мог разогнаться до 48 км/ч. Он догнал бы любого спортсмена.
Всегда ли нужно бежать быстро?
Но высокая скорость на прямой дистанции – это еще не гарантия успеха для хищника. Наблюдения показывают, что не только гепард, но и лев, способный развить до 74 км/ч, легко могут догнать импалу (64 км/ч), но добиваются успеха лишь в одном случае из трех. Более того, в гонке за свою жизнь импала, как правило, бежит гораздо медленнее.
Дело в том, что на максимальной скорости животное приносит в жертву маневренность. Часто и непредсказуемо меняя курс, жертва в большинстве случаев может свести на нет преимущество хищника в скорости. Поэтому львы и гепарды нередко остаются голодными, а чудовища из юрского парка не смогли бы настигнуть человека, использующего маневренную тактику.
Самый опасный динозавр
Однако, если неравенство в скорости слишком велико, никакие приемы не спасут от хищника. Среди динозавров было животное, которое, скорее всего, не оставило бы человеку шансов. Это… тираннозавр. Но не взрослое, огромное и неповоротливое животное, а молодой хищник, еще не выросший до своего полного размера.
Американский палеобиолог Эрик Снивли считает, что тираннозавр-подросток, достигший возраста около 14 лет, весил около тонны и мог бежать со скоростью до 53 км/ч. При этом он, вероятно, обладал маневренностью, так как, в отличие от взрослых сородичей, охотился на достаточно подвижных животных среднего размера.
Поэтому, отправляясь на прогулку в парк юрского или мелового периода, любитель приключений должен позаботиться не только о путях отступления, но и об организации убежищ и ловушек. Это, конечно, шутка. А в серьезном аспекте изучение скоростных качеств как современных, так и вымерших животных – важный раздел биомеханики, позволяющий составить более полное представление об эволюционных путях живого мира.
