Красные кровяные клетки – эритроциты – несут в себе уникальную информацию о степени активности животных. Группа американских палеонтологов попыталась определить размер эритроцитов вымерших животных, опираясь на микроскопические следы кровяных сосудов и размеры внутренних клеток ископаемой костной ткани.
В итоге они пришли к заключению, что даже у давно исчезнувших у птиц и млекопитающих величина эритроцитов была меньше, чем у более примитивных наземных позвоночных, и следовательно – они вели более подвижный образ жизни. Период уменьшения размеров эритроцитов совпадает с Великим пермским вымиранием, произошедшим около 252 млн лет назад >>
Не секрет, что многих птиц и млекопитающих можно назвать отличными спортсменами. Мышь, например, усердно трудится над прокладкой нор, а воробьи с каждым взмахом крыла преодолевают бессердечную гравитацию. Чтобы поддерживать такую высокую активность, их тканям требуется постоянное снабжение кислородом, а главным компонентом ответственной за это системы являются эритроциты. Большое значение для эффективности процесса имеет их размер – у «спортивных» млекопитающих и птиц эритроциты заметно меньше, чем у других, менее подвижных позвоночных.
Биологов достаточно давно волнует вопрос эволюции размеров эритроцитов. Насколько «спортивными» можно назвать предков млекопитающих или динозавров, и были ли их красные кровяные тельца такими же мелкими, как у современных представителей этих групп? И как вообще возможно оценить размер эритроцитов у вымерших животных?
Биологи университета Юты и Музея естественной истории Юты предложили оригинальный индикатор «спортивности», попытавшись установить размеры эритроцитов по микроскопическим следам кровеносных сосудов и внутренних клеток костной ткани. Они провели измерение каналов, через которые происходило снабжение кислородом костной ткани, чтобы определить, когда предки млекопитающих, птиц и динозавров обзавелись мелкими эритроцитами. В результате выяснилось, что уже ранние родственники млекопитающих – цинодонты (Cynodontia), а также вымершие родственники птиц обладали меньшими по размеру эритроцитами, чем более ранние наземные позвоночные. Время, когда произошло это уменьшение – примерно 252 млн лет назад – хорошо известно палеонтологам как пермское массовое вымирание, стоившее жизни 70% наземной фауны.
«Некоторые люди смотрят на окаменелость и видят только камень. Но ведь когда-то это был живой, дышащий организм. Необходимо рассматривать организм как часть его окружающей среды, – уверен ведущий автор исследования Адам Хаттенлокер (Adam Huttenlocker) из университета Южной Калифорнии. – Такой подход дает нам возможность оценить общие последствия массового вымирания, выяснив например, какие физиологические новшества позволили животным выжить?»
Красные кровяные тельца: система доставки кислорода
На первый взгляд может показаться достаточно странным, что мелкие эритроциты лучше справляются с доставкой кислорода, чем крупные, говорит Хаттенлокер. Секрет в том, что мелкие эритроциты обычно соответствуют более плотной сети кровеносных сосудов, и такой вариант более эффективен, чем крупные, но редкие эритроциты.
«Можно представить себе это следующим образом: с одной и той же скоростью люди быстрее высадятся из трех пятиместных седанов, чем из одного 15-местного автобуса, – поясняет исследователь. – Ведь эритроциты, по сути, и являются транспортными средствами для молекул кислорода. Когда у вас их много, и они мелкие — вы можете подхватывать и выгружать кислород очень быстро».
Согласно прежним исследованиям, диаметр капиллярных сосудов соответствует размеру эритроцита. Благодаря этому молекулам кислорода проще отцепиться от эритроцита, проникнуть через стенку сосуда и попасть в ткань. Как показывает практика, эритроциты современных «спортивных» птиц и млекопитающих имеют меньший размер, чем кровяные клетки менее активных животных.
Но перед палеонтологами, исследующими кровь вымерших животных, встает большая проблема – капилляры не сохраняются в ископаемом состоянии. Поэтому Хаттенлокеру и его коллегам пришлось измерять диаметр микроскопических каналов в окаменевших костях, в которых прежде пролегали капилляры. Также измерению подвергли небольшие полости в костной ткани, называемые лакунами, в которых находились костные клетки, ответственные за кроветворение.
«На этот параметр – диаметр каналов – палеонтологи раньше просто не обращали внимания», — признался один из авторов исследования, биолог Коллин Фармер (Colleen Farmer). По размеру этих каналов можно судить о размерах красных кровяных телец. А, зная это, можно судить о том, способно ли было животное переносить длительные тяжелые физические нагрузки. «Интенсивность снабжения кислородом менялась одновременно со многими важными аспектами в историческом развитии жизни – способами передвижения, возможностью миграций, наличием сильной внутривидовой конкуренции. Интенсивность кислородного обмена – один из ключевых аспектов в истории жизни», – сообщил он.
Взгляд в глубокую древность
Хаттенлокер и Фармер в своем исследовании рассматривали три различных линии наземных животных: млекопитающих и их вымерших родичей, рептилий с птицами и их вымершими родственниками, а также амфибий. У всех трех этих групп был общий предок, живший примерно 320 млн лет назад. Амфибии, в том числе лягушки и саламандры, отделились от предковой группы первыми, еще в каменноугольном периоде. Пути млекопитающих и рептилий разошлись чуть позже – в пермском периоде, около 260 млн лет назад, на свет появляются очень похожие на млекопитающих цинодонты. Примерно тогда же рептилии разделились на две группы – предков динозавров и птиц, называемых архозаврами и всех остальных, «нептичьих» (non-avian) рептилий. Завершился пермский период самым страшным вымиранием в истории Земли, и следующая, триасовая биота, выглядела уже совершенно иначе.
«Мы имеем дело с долгим периодом времени. До вымирания, в ранней перми и каменноугольном периоде мы видим каких-то неопределенных четвероногих животных. А вот в триасе они уже очень похожи на своих современных сородичей, хотя и выглядят немного странно», – отметил Хаттенлокер.
Первый этап исследования составили кости 14 видов современных четвероногих: шести млекопитающих, двух птиц, четырех не-птичьих рептилий и двух амфибий. На тонких срезах костной ткани передних конечностей и цифровых изображениях при помощи микроскопа были замерены диаметры самых маленьких каналов и лакун. Также ученые вывели уравнения, описывающие связь этих параметров с размерами эритроцитов и позволяющие выяснить размер эритроцита на основе микроструктуры костной ткани.
Как оказалось, у млекопитающих и птиц размер каналов и лакун в костной ткани меньше, чем у не-птичьих рептилий и земноводных. А меньший размер эритроцитов соответствовал более плотному расположению каналов, что позволяет кислороду быстрее поступать к тканям.
Таким образом, Хаттенлокер и Фармер были уверены, что по микроструктуре костной ткани можно оценить размер эритроцитов вымерших животных. Они установили, что у всех предков млекопитающих из триасового периода (цинодонтов) и некоторых более ранних их родичей эритроциты были примерно того же размера, что и у современных млекопитающих. А вот у разных представителей архозавроморфов размеры кровяных клеток были разными, причем самые мелкие сравнимы с показателями цинодонтов.
Под давлением отбора
Знание размеров эритроцитов позволяет ученым судить о среде обитания животного. Например, мелкие цинодонты, жившие за 70 млн лет до появления настоящих млекопитающих, но ведшие похожий образ жизни, обитали в норах, в которых обычно кислорода меньше, чем на поверхности. Мелкие эритроциты позволяли им рыть тоннели, перемещать почву и вести активный образ жизни в небогатой кислородом среде.
Более спорная теория предполагает падение содержания кислорода в атмосфере в начале триаса. Некоторые ученые считают, что появление более эффективной системы снабжения кислородом было ответной реакцией на снижения уровня кислорода в окружающей среде. В чем бы ни была причина, говорит Хаттенлокер, в триасовом периоде определенно присутствовали факторы отбора, поддерживающие такие адаптации.
«Идентичное давление среды могло привести к схожим адаптациям у этих очень разных групп животных, – рассказывает Хаттенлокер. – Похоже, что предки млекопитающих и птиц были настоящими атлетами пермотриассового мира».
По словам Фармера, необходимо исследовать еще множество современных животных, чтобы подтвердить предположение о том, что по структуре костной ткани можно делать заключения о «спортивности» того или иного вымершего животного. Но в итоге этот инструмент позволит палеонтологам оценить образ жизни многих давно исчезнувших существ.
«Множество окаменелостей было изучено без использования нашего метода и новые знания лежат буквально на поверхности, стоит лишь взглянуть на них под нужным углом, — заявил биолог. – Этот метод – наш новый способ заглянуть в прошлое и увидеть, какими были эти животные».
Статья Bone Microvasculature Tracks Red Blood Cell Size Diminution in Triassic Mammal and Dinosaur Forerunners опубликована в журнале Current Biology
Doi: 10.1016/j.cub.2016.10.012
