Вогнедишні дракони. Чи можливі були вони?

1. видих динозавра
2. займання ззовні
3. займання зсередини
4. Великі електрофізіології
5. електрохімія м'язів
6. Шкіра та кістки
7. Дві застереження на закінчення

Те, що істоти, зовні схожі на драконів, раніше жили на Землі, ні у кого не викликає сумніву. Вони об'єднані під загальною назвою «динозаври», хоча відмінності всередині динозаврів дуже великі.

Сучасними біологами динозаври діляться на два загони по влаштуванню тазових кісток: птахотазові і ящеротазових (зауроподи). Діляться вони на травоїдних і хижаків, на літаючих, що бігають і повзають. Всього їх зараз налічується понад півтори тисячі видів. Чи могли серед такого розмаїття загубитися і ті, кого було б доречно назвати вогнедишними драконами?

Спробуємо відповісти на це питання.

Якщо підозрювати, що деякі динозаври видихали вогонь, то спочатку непогано б розділити цю підозру на два: 1) вони видихали щось пальне і 2) існувала ймовірність загоряння цього пального. Розберемо їх по порядку.

видих динозавра

Динозаври ділилися на хижих і травоїдних. Чим харчувалися останні динозаври, що не удаётсяустановітьточно.Остаткі вмісту їх шлунків поки знайти не вдалося. Тому дослідники роблять висновки з двох обставин: що тоді росло навколо них і що в принципі могли жувати їх челюсті.Із рослинності особливо привабливими для динозаврів могли бути, на думку вчених, папороті, араукарії і хвойники.

Але форма щелеп і зубів абсолютно точно говорить про те, що пережовувати цю їжу динозаври не могли, вони її проковтували непрожёванной. Для засвоєння їжі динозаври іноді проковтували камені, точно так же, як сучасні кури іноді заковтують камінчики, щоб їжа перетиралася вже в шлунку. Але основний процес перетравлення забезпечували мікроорганізми, що жили в їхніх шлунках і кишечнику.

Ці мікроорганізми не тільки робили їжу засвоюваній, а й виробляли метан. Метановий цикл травлення набув поширення внаслідок зміни клімату.

Динозаври з'явилися, коли рівень кисню досяг мінімуму за всю історію земної кулі, приблизно десяти відсотків. Реакція живих організмів не обмежиться змінами в морфології тіла, появою двоногих тварин з поліпшеними можливостями.

Змінився цикл харчування. Не можна було розраховувати на те, що окислення споживаної їжі буде йти завдяки кисню. Одночасно підвищилася температура повітря, створюючи сприятливі умови для діяльності мікроорганізмів.

У тріасовому періоді (250-200 млн років тому) на початку своєї еволюції динозаври важили в середньому трохи більше тонни. У юрському періоді (200-145 млн років тому), коли динозаври отримали максимальне поширення, їх середня вага за 55 млн років збільшувався спочатку до 2,5 тонн, а потім - до 15 тонн. А в окремих видів він був ще більшим, у диплодока, скажімо, близько 20 тонн. У крейдяному періоді (145-60 млн років тому) у міру ще більш швидкого збільшення частки кисню в повітрі середня вага динозавра знову зменшився до 5 тонн.

Метан відомий як парниковий газ, який поглинає сонячну радіацію і викликає підвищення температури. Цей газ вважається основним забруднювачем атмосфери не тільки в стародавні часи, але і зараз. Емісія метану сільськогосподарськими тваринами і, перш за все, великою рогатою худобою, в даний час вносить значну частину міститься в повітрі метану.

Характерно, що у всіх динозаврів носові отвори розташовані на найвищій точці голови. На цій підставі довгий час вважалося, що травоїдні динозаври харчувалися водоростями, а їх ніздрі виступали з води, як у сучасних крокодилів. І на сушу динозаври виходили тільки для того, щоб відкласти яйця. Але зараз вже точно доведено, що ці динозаври їжу добували на суші.

Довели, але якось забули пояснити, чому ж ніздрі у них зверху. А єдине що залишилося пояснення тому - безпека видиху схильного до займання газу.

Група вчених з трьох британських університетів (Ліверпуля, Лондонського і університету міста Глазго) опублікувала результати досліджень в журналі Current Biology щодо такого ж забруднення атмосфери, яким в давнину Земля була зобов'язана динозаврам [1] .

Вони порівняли тодішнє забруднення метаном з нинішнім і вийшло, що якщо зараз корови щорічно викидають в атмосферу (за різними оцінками) від 50 до 100 млн тонн метану, то динозаври могли викидати не менше 520 млн тонн. Причому мова йде тільки про ящеротазових динозаврів, зауроподів.

А в даний час до цієї цифри наближаються викиди метану від всіх джерел, включаючи болота і промисловість.

У 2008 році ФАО, організація в структурі ООН, випустила звіт обсягом в 400 сторінок, згідно з яким півтора мільярда корів відповідальні за виділення 18% всіх парникових газів в світі, що більше забруднення повітря всіма видами транспорту.

Насправді, якщо у корів виділяється майже чистий метан, то у динозаврів виділення швидше були схожі на біогаз, в якому метан становив близько половини обсягу, а решта припадала на вуглекислий і чадний гази, і навіть 2-3% сірководню, також пального .

Дорослій Диплодоки вагою близько 20 тонн для підтримки життя необхідно було щодоби з'їдати до 300 кг листя. Якщо орієнтуватися на продуктивність сучасних біогазових установок, то з денною порції диплодока виходило приблизно 70 кубометрів біогазу, в якому містилося 20-30 кубометрів метану. Тримати такий обсяг всередині себе діплодок, звичайно, не міг.

Бронтозавр (апатозавр), основний об'єкт при дослідженнях травлення динозаврів

Отже, у динозаврів було те, що могло займатися. Але як цей метан можна було підпалити? Є два варіанти займання метану, який видихали динозаври (бронтозавр, по крайней мере): зовнішній і внутрішній. Або підпал метану визначала зовнішнє середовище, або всередині самого динозавра була можливість підпалити видихається метан.

займання ззовні

Згідно з результатами багатьох досліджень, температура повітря в мезозойську еру була приблизно на 10 градусів вище, ніж в даний час. Відомо, що чим вище температура, тим вище іонізація повітря.

Зокрема, харчування тропічних рослин багато в чому йде за рахунок азоту, що міститься в іонізованому (передгрозова) повітрі тропіків. Динозаври, що з'явилися в період найнижчої частки кисню в повітрі, еволюціонували паралельно зі збільшенням цієї частки.

Чим вище частка кисню в атмосфері, тим вище іонізація і ймовірність електричних розрядів, які виникають незалежно від живих істот. Нам всім відомі блискавки, гучні грозові розряди. Але істотно частіше в більш іонізованої атмосфері виникають тихі розряди.

Найбільш відомий і досліджений так званий коронний разряд.Он помічений на верхівках дерев, а якщо говорити про сучасність, то на стовпах і щоглах.

Довга шия диплодока або бронтозавра (апатозавра) забезпечувала підвищення ймовірності появи коронного розряду на рівні їх видиху, якщо він високо піднімав голову. Тихий розряд супроводжується неголосним тріском, а не громом. Тому для спостерігача займання метанового (біогазового) хмари виглядало б, як видихання вогню.

Тихий атмосферний розряд з'являється при критичній напруженості електричного поля в атмосфері. Для сучасного атмосферного тиску і температури 20 ° С вона повинна бути досить високою - 15 кіловольт на сантиметр.

Але за часів динозаврів і температура, і тиск були іншими. Тим більше, що розряди ці йдуть на дуже високій частоті, в середньому 10 кілогерц, але частота, що збільшує ймовірність пробою, доходить і до 30 мегагерц. При такій частоті фактично йде розігрів поверхонь як у звичайній мікрохвильовці.

займання зсередини

Здогадатися про те, що всередині тварин йдуть електричні процеси, особливої ​​науки і не було потрібно. Перший, хто отримав удар струмом від електричного ската, розповів про це всім.

У науку це практичне знання увійшло в кінці XVIII століття. У 1786 році професор Болонського університету Луїджі Гальвані (1737-1798) показав, що якщо до лапці обезголовленої жаби піднести провід та покриття електростатичну машину, то лапка сіпнеться. Цей ефект був відомий задовго до нього, перші подібні експерименти проводилися і століттям раніше.

Вважається, що Гальвані про них не знав, і, як часто буває в історії, це незнання принесло користь науці. На відміну від попередніх дослідників, він прийшов до висновку, що «електрику знаходиться всередині тваринного». І ця здогадка виявилася геніальною.

Навіщо ж потрібно було заради науки попередньо позбавляти жабу голови? Для того, щоб виключити вплив мозкової діяльності, щоб досліджуване явище стосувалося виключно тканини, а не організму в цілому.

Але що було причиною інтересу саме до тканини, а не до організму? В ті часи електрику вважалося флюїдом, рідиною не тільки без кольору і запаху, а й без ваги. Л. Гальвані був переконаний, що мозок виробляє деяку електричну рідину, яка розподіляється по тілу і доставляється до м'язів через нервову систему. Тому потрібно було вловити наявність цього флюїду в тканинах, безвідносно мозку. До речі, про флюїд все вже забули, але електрогідравлічна аналогія залишилася до сих пір.

«Тварина» електрику протиставлялося тоді електрики «металевого», тому, що виходить від набору пар металів і відомо сучасній людині не тільки по акумуляторів.

Великий фізик Алессандро Вольта (1745-1827) заперечував саму ідею тваринного електрики, але як справжній учений хотів переконатися, що заперечує він правильно. А тому 8 років продовжував анатомувати вугрів і скатів, досліджувати «тварина електрику».

Більш того, саме це вивчення будови електричних органів риб і дозволило йому створити перший прилад, який, за іронією долі, був названий ім'ям його супротивника - гальванічної батареєю.

За 14 років до дослідів Гальвані сер Джон Уолш, член Королівського товариства і британського парламенту, спеціально приїхав до французьких рибалкам, які мали справу з електричними скатами.

Він ставив їм лише одне питання, перед яким просив доторкнутися до контактів електростатичного машини. Питання було по-британськи лаконічним: «Схоже?». Відповіді були одностайними: «Так».

Інший би на цьому і заспокоївся, але Джону Уолшу потрібно було суспільне визнання, і він звернувся до сера Генрі Кавендишу (1731-1810), великому фізику. Той створив фізичну модель, яка імітує електричну систему ската. І почалася нова наука, електрофізіологія.

Великі електрофізіології

На шляху до відповіді на питання, чи могли жити на Землі вогнедишні дракони, нам зустрінеться багато чудових людей. Придивімося хоча б до трьох з них.

Перший - Карло Маттеучі (1811-1868), видатний італійський фізіолог. Він показав, що при розрізанні м'язи завжди йде електричний струм, який тече від її непошкодженою поверхні до поперечному розрізу [2] .

Дослідження К. Маттеучі продовжив французький вчений Еміль Генріх Дюбуа-Реймон (1818-1896), який вперше довів, що при порушенні (стимулюванні) м'язи електричним розрядом відбувається іонізація тканин і з'являється різниця потенціалів між збудженими і незбудженими клітинами (тканинами) м'язи.

З'явилася іонна теорія збудження, яка деякий час існувала на якісному рівні. Загальновизнаним стало так зване правило Дюбуа-Реймона: «подразнюючу дію струму можливо тільки в момент замикання і розмикання ланцюга».

І, нарешті, видатний український фізіолог Василь Юрійович Чаговець (1873-1941). Він в 1896 році першим кількісно довів залежність електричного потенціалу м'язи від інтенсивності появи іонізованих хімічних сполук. Загадка тваринного електрики була їм розкрита.

В.Ю. Чаговець запропонував розглядати електричні потенціали як дифузійні, пов'язані з нерівномірним розподілом іонів всередині живої тканини. Розроблена ним диффузионная теорія походження електричних потенціалів грунтувалася на вихідної ідеї: якщо м'яз збуджена, то обмін речовин в її збудженому ділянці різко зростає. А, отже, зростає і електрична активність.

Через 10 років його теорія була доповнена відкриттям електричних і хімічних процесів на стінках клітин. Було встановлено, що через стінки клітин легко проходять катіони калію і гірше - іони натрію і ще гірше - аніони калію і його сполук.

Відбувається іонізація стінки клітини, на одній зі сторін якої накопичується позитивний, а на іншій - негативний електричний потенціал. З стінки клітини (мембрани) формується мікроконденсаторів. А зі стінок багатьох клітин може вийти потужний конденсатор.

електрохімія м'язів

Але електрофізіологія не обмежується ефектом конденсатора. Щоб пояснити ще один ефект, почнемо з простої електрохімії.

Електричні потенціали в розчинах діляться на два типи: електронний і іонний. У першому потенціал з'являється від обміну вільними електронами, які віддаються одними металами і захоплюються іншими. Якщо гальванічний елемент складається з пари мідь-цинк, то мідь, розчинена в кислоті, віддає електрони, а цинк їх приймає.

Потенціал іонного типу виникає, за результатами досліджень трьох згаданих великих електрофізіологів, внаслідок трьох процесів: дифузійного, мембранного та міжфазного.

Кожен раз якийсь із цих процесів є визначальним для появи електричного потенціалу. Приклад дифузійного процесу: беремо один і той же розчин металу (електроліт, наприклад, соляну кислоту), ділимо його на дві частини з різною концентрацією. Електричний потенціал між ними з'являється через те, що швидкість дифузії позитивно і негативно заряджених іонів (катіонів та аніонів) йде по-різному при різних концентраціях електроліту. Слабкий розчин матиме негативний потенціал, більш концентрований - позитивний.

Приблизно те ж явище відбувається в м'язах, коли збуджена частина м'язи щодо збудженому має негативний потенціал.

Давно відомо, що при зміні положення людського тіла виникають статичні заряди. У людському тілі приблизно 10 трлн клітин двохсот різних типів. На стінках кожної клітини може з'явитися потенціал від -70 до -80 мілівольт.

У м'язах ссавців (природно, і людини теж) електричні потенціали окремих клітин гасять один одного. В електричних органах риб вони складаються, дозволяючи з окремих електроцитів з напругою в десятки мілівольт скласти батарею, що дає сотні вольт, як у американського електричного вугра.

У цього виду прісноводних риб органи, що виробляють електричний розряд, складаються з 70 ліній клітин, збільшують розряд. У кожній лінії 6 тисяч таких клітин. В результаті підсумовування електричного потенціалу по цих лініях підсумкове напруга зростає до 500 вольт.

І це - не саме видатне творіння природи. У морських риб число ліній знаходиться в діапазоні від 500 до 1000, а число електроцитів в лінії становить приблизно тисячу. Така система клітин дає в піку імпульс потужністю в 1 кіловат.

Такий опис електричних процесів, що відбуваються в організмах екзотичних для нас риб, можна було б і продовжити, розповісти, наприклад, про форму таких кіловольтної імпульсів або про ту роль, яку відіграють в їх формуванні нервові клітини. Але це відвернуло б нас від відповіді на питання: «Так чи були все-таки можливі в далекій давнині вогнедишні дракони? ».

Тому тільки згадаємо, що для отримання іскри в двигуні внутрішнього згоряння потрібно домогтися, щоб напруга на контактах автомобільної свічки було приблизно 10 кіловольт. Але якщо вугор вагою 4 кг здатний сформувати імпульс в 500 вольт, то що можна було очікувати від динозавра вагою в три з половиною тисяч разів більше?

У 1907 році німецький професор Ганс Піпер (1877-1915) придумав електроміографію, спосіб запису біоелектричних потенціалів, що виникають в м'язах тварин і людини при порушенні м'язових волокон. Дослідження електричних явищ в серце зараз активно застосовується в кардіології.

Отже, вже на початку ХХ століття стало загальновизнаним, що електричні процеси йдуть в будь-якому живому організмі, а не тільки у електричних скатів або саламандр.

Але чи достатньо було електричного потенціалу м'язів динозавра для того, щоб зібрати електричний потенціал в кілька десятків кіловольт? Для цього потрібно зрозуміти, як змінювалися розміри динозаврів в часі і виділити той період, коли така можливість була максимальною. Адже чим більше м'язів, тим сильніше може бути сформований розряд.

Так що динозаври в середині і наприкінці юрського періоду цілком могли формувати в своїх м'язах електричні потенціали, достатні для отримання воспламеняющего розряду.

Шкіра та кістки

Крім електричних потенціалів, які формуються в м'язах, є ще процеси появи електричних потенціалів на шкірі і в кістках. Звернемося знову до динозаврам, до аналогічних електричних явищ, які могли протікати на їх шкірі і в їх кістках.

Спочатку про шкіру. Рідкісні знахідки скам'янілої шкіри динозаврів дозволили встановити, що вона дуже нагадує курячу. Налічується 6 різновидів шкіри динозаврів, є навіть шкіра, що представляє собою щось середнє між зміїною шкірою і риб'ячою лускою [3] .

У псітакозавра, наприклад, відомого як «ящір-папуга», була товста шкіра, вкрита ороговевшими горбками, а місцями і пір'ям, середня між такою, що зустрічається у акул, дельфінів і бегемотів [4] . Хоча він жив уже в крейдяному періоді, коли «вогнедишні дракони», були вже, мабуть, рідкістю.

Реконструкція псітакозавра, що жив в Сибіру 80 млн років тому

Те, що електричний потенціал шкіри змінюється при натисканні на її окремі ділянки, відомо давно. Цей ефект використовується при електромасаж і перевірці на детекторі брехні. До того ж, у динозаврів було дуже різноманітне потовиділення, яке, як встановлено дослідниками, ще й змінювалося з часом, а можливо, і з ситуацією. Деякі з них цілком могли мати властивості електролітів.

Фізики давно знайомі з явищем п'єзоефекту, коли тиск на деякий об'єкт (найчастіше, це кристал), його вигин або розтягнення викликають появу електричного потенціалу. У біологів це явище теж відзначено, але поки що не входить в магістральну лінію досліджень.

П'езоеффект звернемо. Тобто електричний заряд, внесений в кристал, викривляє його поверхню. Більш того, він звернемо багаторазово: викликане електричним зарядом викривлення перерозподіляє заряд і по тій поверхні, до якої підведений заряд, і по протилежній поверхні кристала, яка також викривляється.

Існує безліч приладів, де використовуються тверді пьезокрісталли. Скажімо, ехолоти, в яких кристали під впливом електричних розрядів генерують ультразвук і вловлюють відбитий сигнал, наприклад, від дна або косяка риб. Пьезоеффекти існують в будь-якому живому організмі на декількох рівнях: шкіри, м'язів і кісток.

Визнано, що п'єзоелектричні властивості кісткової тканини не є специфічними властивостями риб або амфібій, вони існують у всіх хребетних.

Породження електричного потенціалу йде при навантаженні на кістки під час ходьби або фізичних вправ. Після того, як вчені встановили, що динозаври харчувалися не в воді, а на суші, потрібно було пояснювати, чому у травоїдних динозаврів довгі шиї.

Тут, природно, поширилася інша аналогія - вже не з крокодилом, а з жирафом. Однак дослідженнями показано, що основна їх їжа росла на висоті до півтора метрів. Для цього динозаврам не потрібна була довга шея.Установлено також: щоб дістати високо зростаючі гілки дерев, динозаврам доводилося іноді ставати на задні кінцівки. А навіщо це робити, якщо у тебе довга шия?

Навіщо ж потрібна була така довга шия? Пояснень може бути два. Перше вже згадувалося - щоб на більшій висоті зловити точку найімовірнішого займання видихуваного газу. Але є й друга. Кістки (а можливо, і шкіра) шиї формували електричний потенціал, достатній для того, щоб запалити видихається газ.

Тут відоме з'єднується з іншим відомим, і виходить загальне розуміння того, що відбувалося в далекій давнині.

Якщо на кісткову тканину немає регулярної навантаження, то кістки як би розчиняються, починається остеопороз. Це добре відомо, але не усвідомлюється ні простим клерком на сидячій роботі, ні вченим, який не замислюється, а чому це так. Швидше за все, саме тому, що в кістках в спокої зупиняються електричні процеси і йде вимивання кальцію з кісток живого організму. А в мертвої кістки зупиняються і ці реакції.

У різних видів риб м'язи, що формують електричний розряд, розташовуються в різних частинах тіла. Так, у одних електричних скатів вони в хвості, у інших - в районі голови.

Якщо проводити аналогію з вогнедихаючим динозавром, то в одному випадку займання метану, що виділяється йде після помаху хвостом, в іншому - рухом довгої шиї.

У так званих слонячих риб (Mormyroidei) ці м'язи розташовуються і вздовж передньої третини тулуба, і в кінчику хвоста, в залежності від конкретного підвиду цих риб і їх віку. Так що не виключено, що у молодих динозаврів електричний орган розташовувався в шиї, а у дорослих - в хвості.

У електричного сома електричний розряд виробляється між грудними плавниками, але у деяких дрібних електричних сомів - між спинним плавцем і плавальним міхуром. У риби спінопера, що мешкає в Південній Америці електричний потенціал формується органом, що простягнувся від кінчика хвоста до грудних плавців.

Електричний вугор має три органи, які б виробляли електричний розряд: основний і два допоміжних. Причому він, в залежності від ситуації, використовує їх будь-яку комбінацію. У риби-Звіздаря в електричний орган перетворена частина очних м'язів. При цьому варіанті динозавр міг підпалити видихається метан в будь-який момент, коли побачить небезпеку. У риб електричний потенціал зазвичай між більш і менш іонізованими частинами м'язів, які розташовані одна над іншою. Це називається вертікальнием диполем. Але іноді зустрічаються і горизонтальні диполі, коли ці частини м'язів розташовані праворуч і ліворуч. Як вони були розташовані у динозаврів, залишається тільки гадати.

Дві застереження на закінчення

У гіпотези про засоби підпалу газу зсередини ще один аспект. Навіть в середовищі палеонтологів є сумніви в тому, що дослідження скелета динозавра може привести до точних висновків щодо будови і функцій внутрішніх органів. І якщо вже це завдання складними для виконання, навряд чи можна сподіватися, що завтра будуть виявлені електричні органи на колишніх колись одним скелетом, а зараз розрізнених кістках, викопаних з землі.

І ще один сюжет. Поява древніх людей найсміливіші археологи відносять до часу 23 мільйони років тому, а крейдяний період закінчився, як ми знаємо, 60 млн років тому. Якщо не займатися цим розривом в 37 мільйонів років, то ми ніколи не пояснимо, як з'явилися легенди про вогнедишних драконах.

Не буду брати на себе сміливість пояснювати, як це стало можливим. Але твердження, що вони були можливі, є доведеним.

[1] Wilkinson DM, Nisbet EG, Ruxton GD Could methane produced by sauropod dinosaurs have helped drive Mesozoic climate warmth ?? - Current Biology. - 2012. - Vol. 22, Iss. 9. - P. R292-R293.
[2] Храмов Ю. А. МаттеуччіКарло (MatteucciCarlo) // Фізики: Біографіческійсправочнік / Подред. А. І. Ахієзера. - Изд. 2-е, испр. і дополн. - М .: Наука, 1983. - С. 181

Ю.П. Воронов, кандидат економічних наук, член редколегії журналу «ЕКО»