Динозавры славятся гигантизмом — от тираннозавра до апатозавра. Но новое исследование, опубликованное в журнале Evolution учёными из Американского музея естественной истории и Принстонского университета, ставит вопрос иначе: почему даже самые маленькие динозавры так и не стали по-настоящему крошечными?

Авторы применили математические модели, описывающие эволюцию размеров тела у позвоночных. Оказалось, что физиология и энергетика хорошо объясняют размеры млекопитающих, птиц и черепах, но не могут объяснить, почему самые мелкие нептичьи динозавры оставались необычно крупными на протяжении всей своей истории. Похоже, конкуренция с ранними млекопитающими не дала динозаврам превратиться в существ размером с мышь или воробья — а ведь именно такие животные сегодня обычны среди позвоночных.

«Все любят гигантских динозавров, — говорит соавтор исследования Роджер Бенсон, куратор палеобиологии динозавров в Музее. — Но мы решили посмотреть на другой конец шкалы. Отсутствие крошечных динозавров может быть не менее интересно, чем существование гигантских. Мы уже знали, что динозавры не давали млекопитающим эволюционировать до крупных размеров до мел-палеогенового вымирания. Теперь мы предполагаем, что млекопитающие, в свою очередь, не давали динозаврам уменьшаться».

Самые крупные динозавры весили более 80 тонн, а самые мелкие из известных нептичьих динозавров — около 450 граммов, примерно как крупный кролик. Это более чем в 200 раз тяжелее самой маленькой птицы в мире, колибри-пчёлки, которая весит всего 1,75 грамма, и самой маленькой млекопитающей — этрусской землеройки (около 1,8 грамма). Самый маленький ящер, карликовый геккон, весит и вовсе 0,15 грамма.

Примерно 75% ныне живущих видов млекопитающих и 90% видов птиц меньше самого маленького нептичьего динозавра.

«Мелкие животные доминируют в современных экосистемах, — отмечает ведущий автор исследования Стефани Лечки, постдок в Принстонском университете. — Если мы хотим понять, как возникло современное биоразнообразие, нужно разобраться, почему крошечных динозавров, судя по всему, не было».

Одно из возможных объяснений — неполнота палеонтологической летописи: крошечных животных труднее найти, а их хрупкие кости хуже сохраняются. Но Бенсон и Лечки считают такое объяснение маловероятным. В отложениях, где находят динозавров, регулярно попадаются и гораздо более мелкие животные: млекопитающие, ящерицы, амфибии и другие позвоночные. Если бы динозавры размером с мышь существовали, хотя бы некоторые из них должны были бы обнаружиться рядом с этими мелкими соседями.

Вместо этого палеонтологическая летопись говорит о том, что по-настоящему крошечные нептичьи динозавры были редки или вовсе отсутствовали.

Чтобы проверить, почему так, исследователи построили математические модели, предсказывающие, как естественный отбор формирует размер тела, исходя из физиологии поглощения энергии и размножения. Идея в том, что животные должны эволюционировать к размерам, которые позволяют наиболее эффективно превращать энергию в потомство.

Такой подход успешно предсказал наблюдаемые распределения размеров тела у млекопитающих, птиц и черепах, но не сработал для змей, ящериц и крокодилов. И даже с учётом широкого диапазона физиологических допущений модели не смогли объяснить, почему большинство нептичьих динозавров были намного крупнее ожидаемого.

Похоже, одной физиологией размеры динозавров не объяснить. Экологические факторы — конкуренция, хищничество, доступность разных экологических ниш — вероятно, сыграли большую роль в ограничении того, насколько мелкими могли становиться нептичьи динозавры.

Исследование также проливает свет на один из самых драматичных переходов в эволюции позвоночных — появление птиц. Хотя птицы произошли от динозавров, современные птицы значительно меньше даже самых мелких известных нептичьих динозавров. Птицы достигли размеров тела, намного меньших, чем любая другая группа динозавров, за короткое время после своего первого появления в раннем мелу.

Учёные обнаружили, что этот сдвиг к миниатюрным размерам тоже нельзя объяснить одной физиологией. Вместо этого они предполагают, что эволюция машущего полёта коренным образом изменила экологические возможности ранних птиц. Поднявшись в воздух, птицы, возможно, избежали экологических ограничений, которые не позволяли их предкам-динозаврам становиться намного меньше.

«Способность летать, возможно, открыла совершенно новые способы жизни, — говорит Лечки. — Как только птицы вошли в эти новые экологические ниши, они смогли эволюционировать к размерам тела, которые для других динозавров были попросту невозможны».

Будущие исследования могут раскрыть ещё больше деталей о том, какое экологическое давление определяло, какие размеры тела процветали, а какие так и не появились.

«У нас необычная ситуация: предки динозавров могли быть крошечными. Ныне живущие потомки динозавров — птицы — тоже могут быть крошечными. Но самим динозаврам, похоже, было запрещено быть крошечными, — резюмирует Бенсон. — И мы пока не до конца понимаем почему, но этот вопрос стоит продолжать исследовать, если мы действительно хотим понять динозавров и их удивительную биологию».

Кстати, мы уже писали о том, что млекопитающие не дали динозаврам стать размером с мышь, — эта работа добавляет новые аргументы в ту же дискуссию.

Почему динозавры не стали крошечными

Огромные залы Американского музея естественной истории в Нью-Йорке заполнены скелетами тираннозавров, зауроподов и других гигантов мезозоя. Но новое исследование, опубликованное в журнале Evolution, заставляет взглянуть на противоположный конец шкалы размеров — и задаться вопросом, которого палеонтологи долго избегали: почему среди динозавров почти не было по-настоящему маленьких видов?

В современных экосистемах крошечные животные повсюду. Мыши, землеройки, колибри, гекконы — они кишат в каждой нише, от лесной подстилки до городских парков. А вот мир динозавров, судя по всему, остался без этой миниатюрной вселенной. Новое исследование предполагает, что дело не в физиологии древних рептилий, а в экологическом барьере: ранние млекопитающие и другие мелкие позвоночные уже заняли ниши, которые могли бы занять мини-динозавры.

Эта идея переворачивает привычную историю о доминировании динозавров. Обычно говорят, что именно динозавры не давали мезозойским млекопитающим вырастать до крупных размеров. Теперь же исследователи утверждают: отношения могли работать в обе стороны.

«Все любят гигантских динозавров, — говорит соавтор исследования Роджер Бенсон, куратор палеобиологии динозавров в Американском музее естественной истории. — Но мы решили посмотреть на другой конец шкалы. Отсутствие крошечных динозавров может быть не менее интересно, чем существование гигантских. Мы уже знали, что динозавры мешали млекопитающим эволюционировать до крупных размеров до мел-палеогенового вымирания. Здесь же мы предполагаем, что млекопитающие, в свою очередь, не давали динозаврам становиться маленькими».

Удивительно высокий «пол» размеров

Контраст становится очевидным, если сравнить размеры динозавров с диапазоном современных животных.

Некоторые динозавры превышали 80 тонн, но даже самые мелкие известные нептичьи динозавры весили около 450 граммов — примерно как крупный кролик. Рядом с тираннозавром это кажется крошечным, но по меркам позвоночных такой «минимум» на удивление велик.

Колибри-пчёлка, самая маленькая из ныне живущих птиц, весит около 1,75 грамма. Этрусская землеройка, одно из самых маленьких млекопитающих, — примерно 1,8 грамма. Карликовый геккон может весить всего 0,15 грамма. Фактически около трёх четвертей современных видов млекопитающих и 90 процентов видов птиц легче самого маленького известного нептичьего динозавра. Почти все современные ящерицы тоже меньше.

«Мелкие животные доминируют в современных экосистемах, — отмечает ведущий автор исследования Стефани Лечки, постдокторант Принстонского университета. — Если мы хотим понять, как эволюционировало сегодняшнее биоразнообразие, нужно разобраться, почему крошечные динозавры, похоже, отсутствовали».

Может, их просто не нашли?

Возникает очевидный вопрос: а вдруг миниатюрные динозавры существовали, но просто не сохранились в палеонтологической летописи?

Мелкие скелеты действительно сохраняются плохо. Их кости хрупкие, легко рассеиваются, и палеонтологам проще не заметить их среди массивных останков крупных динозавров. Но у такого объяснения есть проблема.

Те же отложения, где находят динозавров, сохранили гораздо более мелких млекопитающих, амфибий, ящериц и других позвоночных. Палеонтологи регулярно извлекают животных намного меньше предполагаемого «минимума» динозавров. Если бы динозавры размером с мышь были обычным явлением, хотя бы некоторые из них должны были попасться рядом с этими крошечными существами.

Самое простое объяснение оказывается и самым интригующим: экстремально маленькие нептичьи динозавры, вероятно, действительно были редки или вовсе отсутствовали.

Математические модели против физиологии

Лечки и Бенсон подошли к загадке с помощью математических моделей, которые предсказывают, какие размеры тела должно поддерживать естественное давление отбора.

В основе анализа лежит фундаментальный эволюционный компромисс. Животное должно добывать энергию, тратить часть её на поддержание и рост тела, а остальное вкладывать в размножение. Поскольку эти процессы по-разному масштабируются с размером тела, существуют размеры, при которых животное может преобразовывать доступную энергию в потомство особенно эффективно.

Почему не существовало крошечных динозавров: млекопитающие не дали им уменьшиться

Среди динозавров не было видов размером с мышь. Самый мелкий нептичий динозавр весил около 400 граммов — как небольшая кошка. При этом энергетические модели предсказывают, что более крошечные формы вполне могли бы существовать. Новое исследование Американского музея естественной истории и Принстонского университета предлагает неожиданное объяснение: динозаврам не дали уменьшиться ранние млекопитающие.

Работа опубликована в журнале Evolution. Авторы — Стефани Лечки и Роджер Бенсон. Они построили математические модели, чтобы проверить, может ли физиология объяснить распределение размеров тела у разных групп позвоночных. В выборку вошли тысячи современных видов: более 9000 птиц, более 4000 млекопитающих, более 6000 ящериц, а также оценки массы тела для 515 нептичьих динозавров.

Физиология не объясняет отсутствие миниатюрных динозавров

Для млекопитающих, птиц и черепах модели довольно хорошо предсказали наблюдаемые закономерности. Гораздо хуже они справились с ящерицами, змеями и крокодилами. Но самый большой вызов — динозавры.

Исследователи перебрали широкий диапазон физиологических допущений, включая характеристики, охватывающие все группы современных позвоночных. И всё равно модели не смогли объяснить, почему распределение размеров динозавров так сильно сдвинуто вверх. Нептичьи динозавры оставались значительно крупнее, чем предсказывала одна только энергетическая биология.

Эта неудача сама по себе полезна. Она указывает: ответ, скорее всего, лежит вне физиологии.

Экологический барьер: млекопитающие заняли нишу

Животное не эволюционирует в изоляции от всего остального. Даже если какой-то размер тела физиологически возможен, это не значит, что для животного такого размера есть свободная экологическая роль. Крошечным существам нужны еда, укрытие, территория и способы избегать хищников. Если другие виды уже эффективно используют эти ресурсы, войти в ту же нишу трудно.

В эпоху динозавров мелкие млекопитающие уже занимали многие миниатюрные экологические роли. Поэтому динозавры, возможно, сталкивались с чем-то вроде экологического пола. Уменьшение толкало бы их на всё более переполненную территорию, а не открывало новую эволюционную возможность.

Эта идея создаёт необычно симметричную картину мезозойских экосистем. Крупные динозавры, вероятно, не давали млекопитающим расширяться в сторону больших размеров тела, а млекопитающие и другие мелкие позвоночные мешали динозаврам двигаться в противоположном направлении.

Конкуренция вряд ли была единственным фактором. На размеры, которых могли достигать динозавры, влияли также хищничество, доступная пища, среда обитания, репродуктивная биология и число доступных экологических ниш. Одна ветвь динозаврового древа даёт важную подсказку.

Полёт позволил птицам прорвать размерный барьер

Птицы — живые динозавры, и их распределение размеров особенно показательно. Современные птицы включают одних из самых мелких теплокровных позвоночных, а их нептичьи родственники-динозавры никогда не приближались к таким крайностям. При происхождении птиц размер тела резко пошёл вниз: появились формы гораздо мельче типичных предшествовавших динозавров. Новое моделирование показывает, что этот переход тоже нельзя объяснить простой сменой энергетической физиологии.

Исследователи предполагают: полёт изменил эволюционное уравнение. Как только ранние птицы обрели машущий полёт, они смогли использовать ресурсы и места обитания, недоступные наземным динозаврам. Деревья, воздушная добыча, новые стратегии бегства и другие возможности, связанные с жизнью над землёй, могли открыть экологические ниши, где быть исключительно маленьким было выгодно.

«Способность летать, возможно, открыла совершенно новые способы жизни, — говорит Лечки. — Как только птицы вошли в эти новые экологические ниши, они смогли эволюционировать к размерам тела, которые для других динозавров были попросту невозможны».

Что размер динозавров говорит об эволюции

С этой точки зрения эволюция крошечных птиц не была простым уменьшением динозаврового тела. Полёт, возможно, позволил одной линии динозавров вырваться из экологических ограничений, державшихся миллионы лет.

Эволюция не обязательно порождает все формы тела, которые организм теоретически мог бы поддерживать. Какие возможности реализуются на деле, зависит от того, какие виды уже присутствуют и какие экологические возможности остаются открытыми.

«У нас необычная ситуация: предки динозавров могли быть крошечными. Живые потомки динозавров — птицы — могут быть крошечными. Но самим динозаврам, похоже, было запрещено быть крошечными, — говорит Бенсон. — И мы пока этого по-настоящему не понимаем, но это вопрос, который стоит продолжать исследовать, если мы действительно хотим понять динозавров и их увлекательную биологию».

Кстати, мы уже писали о том, как млекопитающие не дали динозаврам стать размером с мышь — в той заметке разбирался самый мелкий нептичий динозавр и первые подозрения на экологический барьер. А о том, как млекопитающие исчезают сегодня быстрее, чем в эпоху динозавров, читайте в материале «Шестое вымирание: млекопитающие исчезают быстрее, чем в эпоху динозавров».