2) Парадокс, представляемый большими динозаврами

Применение научного подхода для понимания динозавров

В прошлой главе приводилось объяснение особенностей масштабирования Галилео, которые показывают, что размеры имеют значение. Однако когда мы возвращаемся назад в прошлое в Мезозойскую эру, мир динозавров оказывается магическим местом, где каким-то удивительным образом не действуют законы науки. По всей вероятности, если бы ископаемые динозавры никогда не были бы найдены, научное сообщество уже давно 1) включило бы учение Галилео об особенностях масштабирования в программу элементарного научного образования и 2) пришло бы к заключению, что самые крупные из ныне живущих наземных животных являются предельно большими по размерам. Однако эти научные идеи до сих пор не приняты, потому что ученые поставлены в тупик фактом существования в прошлом динозавров и птерозавров исключительно больших размеров.

1. Недостаточная прочность костей для поддержания веса больших динозавров
2. Недостаточная мышечная сила для того, чтобы большие динозавры могли подниматься и передвигаться
3. Недопустимо высокое кровяное давление и нагрузка на сердце очень высоких динозавров
4. Принципы аэродинамики, показывающие что птерозавры не могли летать

Масса зауропода

До того, как мы рассмотрим аргументы, касающиеся прочности костей и мышечной силы, необходимо оценить массу крупнейших динозавров – зауроподов.

Зауроподы были самыми крупными из когда-либо существовавших наземных животных. Апатозавр имел обычную для динозавров форму с большими задними конечностями по сравнению с передними, диплодок был схож с апатозавром, но имел более длинную шею и хвост, а брахиозавр, известный также как «плечистый ящер», имел характерную особенность – его передние конечности были длиннее задних. Кроме этих наиболее известных представителей зауроподов, существовало множество других крупных, схожих между собой зауроподов, различных по наименованиям, так как палеонтологи соревнуются за право нахождения самых больших наземных животных. Для сравнения размеров, массы и силы, мы будем рассматривать брахиозавра.

Чтобы получить приблизительное значение массы животного, определим масштабный коэффициент путем поиска схожих по форме животных, а затем сравнением их схожих признаков, как, например, высоту плеч. Чтобы рассчитать объем и, отсюда, вес животного, возведем в куб масштабный коэффициент, а затем умножим это на вес известного нам животного. Если использовать показатели нескольких схожих по форме и плотности животных, то средний результат должен дать достаточно приближенное значение.

В этом уравнении М2 и М1 – массы каждого животного, а L1 и L2 – длины соответствующих сравниваемых частей. Например, если мы сравниваем оленя с лосем или лисицу с волком, длинами могут быть высота плеч или расстояние между лопатками и бедрами. Зная длины обоих животных и массу одного из них, можно определить массу неизвестного животного с 20%-й точностью.

Этот метод отлично работает для схожих по форме животных, однако если применяется к динозаврам, то теряет свою точность, так как динозавры имели отличную от современных животных форму.

Если имеется точная масштабная модель, тогда для определения веса животного возможно применение другого простого метода. Просто опустите модель в воду и измерьте объем или массу вытесненной воды. Затем, если, к примеру, модель является 1/40 от действительного размера, умножаем 40^3 или 64000 на обьем вытесненной воды, а затем умножаем результат на предполагаемую плотность животного. Абсолютное большинство наземных позвоночных имеют плотность, немного менее плотности воды, так что приблизительное значение может быть получено путем умножения масштабного коэффициента, возведенного в куб, на массу вытесненной воды. Для более точного значения, умножим объем вытесненной воды на 0.97, учитывая, что плотность животного немного менее плотности воды.

Где М – неизвестная масса, V – объем вытесненной воды, D – плотность животного, которая должна быть примерно 970 кг/м^3 для наземных животных, и S.F. – масштабный фактор.

Если модель правильно соответствует форме динозавра, второй метод должен дать более точный результат. По расчетам автора, применявшего эти методы, масса брахиозавра составляла от 50 до 200 тонн.

Относительная мышечная сила и относительная прочность костей

Относительная мышечная сила может быть определена как сила животного, деленная на его вес. Таким же образом, относительная прочность костей определяется как прочность костей, деленная на вес, поддерживаемый костями ног.

Относительная мышечная сила и относительная прочность костей группируются вместе, потому что они являются схожими проблемами масштабирования. Для обоих, сила – функция площади поперечного сечения. Представьте разрез образца кости: площадь среза прямо пропорциональна прочности кости. Также представьте разрез мышцы: площадь среза прямо пропорциональна мышечной силе. Сила мышц и костей, пропорциональная площади, двухмерный атрибут. Но масса тела – функция объема, трехмерный атрибут. Следовательно, относительная сила животных, отношение силы к массе, уменьшается с размером животного: самые крупные животные имеют наименьшую относительную силу.

Что касается относительной прочности костей, большие животные намного больше рискуют поломать свои кости, чем меньшие животные. Вероятность того, что поломка костей сократит жизнь животного, достаточно велика для больших животных. Доминирующие виды имеют тенденцию эволюционировать по направлению к большим размерам. Но большая вероятность сломанных костей, оказывающих влияние на больших животных, может быть фактором, который в конечном счете ограничивает их размеры.

Например, призовой скакун может легко сломать ногу при беге. Обычно это случается в нижней части передних ног. Но возможно также повреждение других частей передних и задних ног. Это показывает, что повреждения - не результат специфического имеющегося слабого участка в ногах. Скорее это последствия тяжелого веса животного, производящего удары, превышающие прочность материала костей ног.

Другой показатель того, что эти 500 килограммовые животные приближены к пределу размеров, это проблемы, возникающие когда предпринимаются попытки вылечить этих великолепных животных, после того, как они ломают ноги. Лошади часто спят стоя, что является удачным эволюционным способом выживания, так как они могут быстро убежать от хищников. Но если лошадь может стоять на трех здоровых ногах и делает это довольно длительное время, перенагрузка здоровых ног может привести к развитию ламинита. Вскоре стоять на здоровых ногах станет так же больно, как и на сломанной ноге. Зачастую более человечно умертвить лошадь, чем оставить ее страдать последние дни.

В то время как достаточно легко показать, что самые большие животные имеют самую низкую относительную прочность костей и самую низкую относительную мышечную силу, труднее определить самых больших по размеру наземных позвоночных.

И хотя скаковые лошади – крупные животные, они далеко не самые большие из наземные позвоночные. Клейдесдальские лошади-тяжеловозы весят около одной тонны, что в два раза больше массы типичного скакуна. Типичный же самец африканского слона имеет массу семь тонн.

Меньшая мышечная сила больших животных на самом деле является их преимуществом, так как ограничивает их активность, что может повлечь за собой возможность поломать кости. Бегая более медленно, а в случае со слонами, бегая более медленно и не прыгая, самые крупные наземные животные обычно избегают более высоких ударных сил, что может повлечь поломку ног.

Кости ломаются, когда давление на кость превышает предел прочности материала кости. Чтобы понять, что большие животные больше рискуют поломать кости, мы можем сравнить давление на кости ног животных, при условии того, что они находятся в спокойном положении и только поддерживают свой вес

amount of cross sectional supporting bone area is determined. Таблица, приведенная ниже, показывает представительную выборку млекопитающих, расположенных по мере возрастания от наименьших к наибольшим. Имея приведенные данные длины окружностей костей передних и задних ног, определим площадь поперечного сечения костей. Давление, оказываемое на кость, в то время, когда животное стоит, может затем быть рассчитано делением веса животного на площадь поперечного сечения кости. Последний столбец справа – это давление на ноги животного, когда оно стоит.

Исходные данные, длина окружности передних и задних ног и масса каждого животного взяты из Anderson, J. F., Hall-Martin, A., and Russell, D. A. 1985. "Long-Bone Circumference and Weight in Mammals, Birds, and Dinosaurs," Journal of Zoology, London (A) 207: 53-61 Площадь рассчитана как (CF2 + CR2)/2PI, Площадь костей = Площадь * 5/9, принимая во внимание полую середину костей, Стресс в положении стоя = Вес / Площадь кости

Давление на кости может быть во много раз больше, когда животное приземляется после падения. Давление на кости в конце падения обычно зависит от того, как велико животное, и с какой высоты оно падает. Мышь может легко выжить после падения с высокого здания. С другой стороны, слона можно запереть с помощью не залитого водой рва в один метр (около трех футов) глубиной, потому что падение слона с такой высоты, скорее всего, явилось бы причиной многочисленный переломов. Имеет смысл выражение «чем больше, тем труднее падать».

Низкая относительная мышечная сила схожа с относительной прочностью костей тем, что самые крупные животные имеют самую низкую относительную силу. Абсолютная сила определяется как максимальный вес, который животное может поднять, независимо от веса самого животного, и, очевидно, что большие животные имеют большую абсолютную силу, чем меньшие животные. Но при рассмотрении относительной силы, то есть отношения веса, которое животное может поднять, к весу самого животного, оказывается, что именно меньшие животные обладают большей относительной силой. К примеру, муравей поднимает вес, в 50 раз превышающий его собственный, очень сильный человек может поднять другого человека, тогда как Азиатский слон может поднять вес, не превышающий четверть его собственного веса. Еще более крупный, Африканский слон, не рабочее животное, потому что его относительная сила еще меньше.

Для каждого, кто наблюдал больших животных на ферме, таких как крупнорогатый скот или лошадей, в тот момент, когда они поднимаются с земли, ясно, что эти животные напрягают для этого все имеющие силы. То же самое и для других крупных животных, таких как слоны и жирафы, им тоже необходимо приложить все свои силы для выполнения этой задачи, тогда как для меньших животных это не представляет трудностей. Как результат этих трудностей, не вызывает удивления то, что многие из этих крупных животных в процессе эволюции изменили свое поведение, и могут спать стоя.

Однако многие динозавры были намного крупнее этих животных. Их больший размер означает, что их относительная сила была значительно меньше, чем у современных крупных животных. Нереалистично думать, что большие динозавры никогда не падали или же проводили всю жизнь, лежа на земле. Если бы Парк Юрского периода был на самом деле создан, любой зауропод или любой другой большой динозавр, лежа на земле, был бы так же беспомощен, как и выброшенный на берег кит.

Чтобы объяснить, как динозавры могли вырости настолько больше современных наземных животных, палеонтологи часто неправильно объясняют это тем, что динозавры имели более прочные кости или намного меньшую плотность тела. Но не существуют никаких ископаемых свидетельств, подтверждающих, что динозавры имели суперкости. Более того, даже если окаменевшие мышцы динозавров были бы когда-либо найдены, как кости динозавров, можно с увереностью сказать, что динозавры не имели суперпрочных или легких мышц.

Кроме того, что не существует свидетельства, поддерживающего гипотезу суперпрочных костей или мышц динозавров, эта идея также не совместима с теорией эволюции Дарвина. Основная идея процесса эволюции заключается в том, что если виды имеют какие-то превосходящие особенности, то они скорее всего передадут эти особенности следующим поколениям. Этот процесс позволяет видам эволюционировать в направлении превосходящих признаков. Сказать, что динозавры имели кости и другой биологический материал, намного превосходящий тот, что существует сегодня, значит признать, что с эпохи динозавров процесс эволюции каким-то образом выбирал худшие признаки, что и привело к томы, что современные позвоночные имеют кости и мышцы хуже, чем имели динозавры.

Эти предположения, что динозавры имели более лучшие кости и мышцы, не подтверждены никакими доказательствами, а также противоречат теории эволюции Дарвина, поэтому не должны приниматься всерьез. Таким образом, не остается ничего, что могло бы объяснить, каким образом динозавры могли вырасти до таких огромных размеров, намного превышающих размеры любых современных наземных животных. Отсюда очевидно заключение, что зауроподы и другие крупные динозавры представляют научный парадокс.

Проблема кровяного давления

Многие исследователи задавались вопросом, как кровь брахиозавров могла поступать к голове. Как решение этой проблемы, были выдвинуты несколько различных гипотез. Одни палеонтологи предполагали, что брахиозавры имели массивное сердце, которое могло создавать необходимое для поднятия крови давление. Другим предположением было то, что в процессе эволюции брахиозавры получили несколько расположенных с равными интервалами сердец в области шеи, работающих как насосная система. Но наиболее популярной идеей является предположение, что брахиозавры никогда не поднимали голову, а вместо этого могли двигать ее назад и вперед горизонтально.

Все эти гипотезы возникли из проблемы, связанной с выталкиванием крови на большую высоту. В столбике жидкости давление увеличивается во время спуска жидкости с верхнего на более низкие уровни согласно формуле P = g D h, где P – давление, g – ускорение свободного падения, D – плотность и h – растояние до поверхности. Поэтому насос и трубы на дне столбика жидкости должны быть сильными, чтобы выдерживать давление жидкости на дне столбца.

Для того, чтобы лучше понять, как кровяное давление может меняться в зависимости от высоты, рассмотрим этот процесс на примере измерения кровяного давления человека. Манжета тонометра оборачивается вокруг бицепса на руке сидящего человека, потому что в этом положении кровь находится на том же уровне, что и сердце. Кровяное давление, измеряемое таким способом, близко приближено к значению давления крови, когда она покидает сердце. Если во время измерения человек поднял бы руку, показания тонометра были бы намного меньше, а если бы давление измерялось не на руке, а на лодыжке, тогда давление было бы намного больше. Это происходит потому, что кровяное давление – функция высоты.

Для сердца легко доставлять кровь к частям тела, которые находятся на той же высоте, что и сердце. При горизонтальном кровообращении сердце только протолкнуть кровь через артерии. При этом нет почти никакой потери кровяного давления, в то время как кровь передвигается через капилляры. Поэтому кровяное давление, измеряемое на уровне бицепса, близко приближено к кровяному давлению в тот момент, когда кровь покидает сердце.

Когда сердце накачивает кровь к расположенным ниже частям тела, это даже легче, так как гравитация помогает крови течь вниз. Тем не менее, как только кровь проходит через капилляры в ступнях, она должна путешествовать назад вверх к сердцу. Кроме того, клапаны в этих нижних венах позволяет мышцам ног работать как сердце, проталкивая кровь вверх на следующий уровень, когда мышцы ног сокращаются. Причина, по которой мы чувствуем дискомфорт, когда стоим длительное время или сидим во время многочасового полета на самолете, в том, что мышцы наших ног неподвижны, и это вызывает приок крови к нижним венам.

Сердце должно работать максимально напряженно, когда оно поднимает кровь к голове. Это потому что с каждым ударом сердце должно поднимать кровь в вертикальном столбце, в артериях, поднимающихся к голове. Мы можем применить уравнение: P = g D h, чтобы рассчитать, как высоко кровяное давление P должно быть, когда оно покидает сердце, чтобы оно могло достичь высоты мозга h. Для взрослого, находящегося в вертикальном положении, верх головы находится на 45 см выше уровня сердца, и, таким образом, минимальное давление, необходимое сердцу, чтобы достичь такой высоты, составляет 35 мм рт. столба. Как только оно достигает этой высоты, необходимо еще дополнительное давление, чтобы проталкивать кровь через капилляры. Чтобы завершить задачу поднятия крови и проталкивания ее через капилляры, давление нормального человека должно быть 120 / 80 мм рт.столба. Причина того, что сердце расположено ближе к голове, чем к ступням, это трудности подавания крови наверх по вертикали.

Несколько примеров покажут дополнительно, как высота влияет на сердечно-сосудистую систему.

Тот, кто пробовал стоять на голове, знает, что это достаточно болезненная позиция. В такой необычной позиции кровь приливает к голове, вызывая покраснение лица. Но мы не должны удивляться тому, что для летучих мышей и других мелких млекопитающих не имеет значения, какой стороной находиться вверх, потому что их тела слишком малы, чтобы испытывать большую разницу давления между верхом и низом тел. Только большие и высокие наземные животные испытывают проблемы из-за большой разницы кровяного давления вследствие высоты.

Кроме стояния на голове, чаще люди испытывают чувство головокружения, возникающее в том случае, если мы поднимаемся слишком быстро. Во время отдыха в горизонтальном положении, наше сердце не работает так напряженно, как оно работает, когда мы стоим или делаем упражнения. Когда мы поднимаемся, сердце должно внезапно начать работать намного напряженнее, чтобы доставлять кровь к мозгу. Когда мы встаем слишком быстро, кровь в тот же момент не может достичь мозга, и клетки мозга моментально испытывает нехватку кислорода, что и является причиной того, что мы чувствуем головокружение.

Приблизительно 6-футовый или 2-метровый человек выше большинства наземных позвоночных, но 18-футовый или 5,5-метровый жираф намного выше. Наши ощущения легкого головокружения, когда мы встаем, едва ли сравнимы с 15-футовым или 5-метровым изменением высоты, испытываемым жирафом в тот момент, когда он пытается пить воду. Если бы не наличие клапанов в венах и артерий шеи, предельное давление привело бы к разрыву кровеносных сосудов, когда жираф наклоняет голову, и наоборот, жираф потерял бы сознание от отсутствия крови, когда он потом поднимает голову.

Другой потенциальной проблемой является предельное давление внизу ног жирафа, когда он стоит. Каждый, кому приходилось на работе стоять на ногах почти весь день, знает, как неудобно это, так как кровь приливает к нижней части ног, а так как жираф в три раза выше, то это давление в три раза больше. Более того, если их ноги были схожими с ногами других животных, то даже малейший порез на ноге обильно кровоточил бы, и это потенциально было бы опасно для жизни.

Чтобы предотвратить кровь от притока к нижней части ног, ноги покрыты грубой толстой кожей, которая нейтрализует кровяное давление, предотвращая приток крови. Внутри кожи имеется толстая волокнистая ткань, а кровеносные сосуды ног находятся далеко от поверхности, что помогает избежать смертельного исхода от потери крови в результате пореза.

Но самая большая сердечно-сосудистая проблема жирафа - это необходимость иметь достаточно сильное сердце, чтобы поднимать кровь к мозгу. Чтобы быть в состоянии создавать необходимое кровяное давление, сердце жирафа представляет собой огромную мышцу со стенками толщиной до 3 дюймов (8 см), и весом 25 фунтов (11 кг). Но еще более впечатляет то, что во время отдыха ритм сердца жирафа – 65 ударов в минуту. Это вдвое превышает ожидаемый от животного такого веса результат. Массивное сердце жирафа создает необходимое для достижения головы жирафа кровяное давление 300 / 180 мм рт.столба. Продолжительность жизни жирафа относительно невелика – 20 лет, и предрасположенность к сердечным приступам является последствием адаптации сердечно-сосудистой системы

Жираф представляется нам удивительным животным с его способностью преодолевать все эти сердечно-сосудистые проблемы, чтобы кровь могла достичь головы, но что тогда мы должны думать о брахиозавре, который долен был лоставлять кровь на высоту 13 метров? В то время как голова жирафа находится на высоте 2,5-3,0 метра над его сердцем, голова брахиозавра находилась на высоте 8,0-9,5 м над его сердцем. Как показывают многочисленные предположения, ученые все еще озадачены, как все это объяснить.

Парадокс кровяного давления зауропода обсуждался несколько лет, и сейчас он показан в учебиках по физике. Все больше и больше палеонтологи приходят к убеждению, что брахиозавр не мог держать голову поднятой, а так же другие зауроподы не могли подниматься на задних ногах, чтобы достичь более высокую листву.

Тем не менее реструктурирование всех экспонатов брахиозавра таким образом, чтобы опустить его голову, неправильное и непродуманное решение. Это пренебрежение фактом, что брахиозавр имел соответствующую осанку для достижения высоты. Брахиозавр, «плечистый ящер», и его родственники, единственные динозавры с более длинными передними ногами, чем задними. Логическое объяснение более длинных передних конечностей в том, что брахиозавр высоко держал голову, и его более длинные ноги и шея позволяли достичь верхнюю листву. Таким образом, имеется парадокс наличия животного, сложенного таким образом, чтобы его голова достигала максимальной высоты, но сердце которого не способно поставлять кровь к его голове.

Копирование и распространение данного материала в неизмененном виде разрешено преподавателям, а также студентам как государственных, так и частных учебных заведений