Откуда пришли кости ящеров? • Библиотека (original) (raw)

Андрей Сенников,
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН
Олег Макаров
«Популярная механика» №4, 2009

Палеонтология — наука о всей совокупности древней исчезнувшей жизни. Ученых интересуют и окаменевшие останки крошечных моллюсков, и следы бактерий, живших сотни миллионов лет назад, и пыльца невообразимо давно отцветших растений. Но всё же ничто так не поражает наше воображение с самых детских лет, как чудом сохранившиеся скелеты древних позвоночных животных.

Рассматривая этих зубастых страшилищ в витринах музеев, любой непосвященный обязательно поинтересуется: как произошло так, что эти загадочные кости пережили десятки миллионов лет? Как их удалось найти? Как из разрозненных останков собираются целые скелеты? И наконец, действительно ли то, что мы видим в музеях, — настоящие кости доисторических ящеров и млекопитающих? Чтобы ответить на все эти вопросы по порядку, нам придется прежде всего обратиться к тафономии — поддисциплине палеонтологии, занимающейся вопросами возникновения и сохранения остатков древнейших существ в геологических слоях.

Одним из корифеев отечественной палеонтологии и фактическим основателем и систематизатором тафономии был Иван Антонович Ефремов (1907–1972), в основном известный широкой публике как писатель-фантаст, автор бессмертной «Туманности Андромеды». Тафономия описывает последовательность и закономерности возникновения захоронений остатков животных и растений.

Первоначально биоценоз — сообщество современных друг другу живущих организмов — дает начало танатоценозу — совокупности умерших существ. Как правило, под воздействием химических и биологических агентов останки этих организмов разлагаются и исчезают без следа: мягкие ткани поедаются падальщиками и микроорганизмами, а кости истлевают в труху. Но если органические останки, составляющие танатоценоз, покрываются осадками (например, илом или песком), то возникают условия для длительного захоронения, или тафоценоза. Осадок прекращает доступ кислорода, ограждает от воздействия иных химических факторов и препятствует поеданию остатков «соседями» по пищевой цепочке.

Со временем мягкий осадок переходит в горную породу, затем сверху появляются новые напластования, и постепенно начинается процесс превращения захороненных остатков в окаменелости (фоссилии). Органика вымывается из костей циркулирующими в породе грунтовыми водами и заменяется присутствующими в этих водах солями. Для растительных остатков имеет место процесс обугливания.

Чем древнее остатки, тем меньше в них органического вещества. Если в четвертичных отложениях еще сохранилось, например, настоящее мясо мамонтов, то для существ, обитавших на Земле, скажем, в меловой или юрский периоды, ни о каких органических остатках речи быть не может, так что клонирование динозавров из ископаемого ДНК — это удел не совсем научной фантастики.

Коварные ямы

Окаменевшие остатки морских организмов можно встретить практически повсеместно, где когда-то плескались воды древних океанов, в том числе в Москве и Подмосковье. Это неудивительно — морское дно постоянно покрывается слоями осадка, который создает условия для захоронения водной флоры и фауны. Гораздо хуже дело обстоит с континентальной живностью. Труп животного, умершего в густом лесу, скорее всего, полностью исчезнет. Шанс палеонтологам дают реки и озера, где донные осадки могут захоронить остатки обитателей этих водоемов либо животных из прибрежного ареала. Но что это будут за остатки? Скорее всего, под илом или песком окажутся лишь недоеденные и недоглоданные фрагменты скелета, отдельные кости и черепа, которые не дадут полного представления о древнем животном. Чтобы в захоронение попал целый скелет или даже части мягких тканей рептилии или млекопитающего, требуется поистине счастливое для ученых стечение обстоятельств. Тело животного должно быть покрыто осадком сразу после гибели и в очень короткий срок.

Знаменитые местонахождения (именно так в науке именуются залежи древних окаменелостей) в Китае, где обнаружены отпечатки перьев и мягких тканей птерозавров, смогли возникнуть в результате своего рода «мезозойских Помпей», когда большие территории оказались почти мгновенно засыпаны вулканическим пеплом. Другие уникальные примеры – захоронения туш мамонтов в вечной мерзлоте или знаменитые асфальтовые ямы ранчо Ла-Брея неподалеку от Лос-Анджелеса. Десятки тысяч лет назад огромные слоны и мастодонты увязали в вязком липком гудроне, на их крики сбегались львы и саблезубые тигры. Но ни хищникам, ни их жертвам уже не суждено было вырваться из ловушки — множество самых разнообразных животных оказались целиком захороненными в Ла-Брея, ставшим настоящим местом паломничества палеонтологов всего мира.

Подарок в пустыне

Поиск интересных остатков сродни кладоискательству, в котором важную роль играют как научный расчет, так и опыт и интуиция. Разумеется, есть хорошо разработанные методики, позволяющие предположить, в каких именно местах и геологических слоях нужно искать остатки тех или иных животных или растений прошедших эпох. Если нас интересуют морские ящеры, то надо обследовать черные юрские глины морского происхождения. Зубы древних акул, кораллы или морские лилии логично поискать в известняках каменноугольного периода, тех самых, из которых сложили белокаменную Москву. Прежде всего палеонтологов интересуют осадочные породы, так как предположить наличие остатков животных или растений в породах, сформированных раскаленной магмой, практически невозможно — там все сгорело дотла.

Если известно, что в данном районе находятся, к примеру, отложения интересующей нас прошедшей геологической эпохи — например, песчаники или известняки, то туда отправляется разведочная экспедиция и палеонтологи обследуют все геологические обнажения, то есть места, где данная порода выходит наружу. Это могут быть карьеры, овраги или высокие берега рек. После того как в осадочной породе будут обнаружены следы окаменелостей, можно начинать раскопки.

Пустыня Гоби, где еще сам Ефремов организовал после Великой Отечественной войны советско-монгольскую экспедицию, — идеальное место для палеонтолога. Там вода и ветер миллионы лет не давали нарасти слою почвы и возникнуть растительности, так что практически вся площадь пустыни – это обнаженное дно мелового озера. Костные остатки меловой фауны – в основном динозавров — лежат там почти у самой поверхности, и именно в Гоби были сделаны выдающиеся находки — целые скелеты крупных ящеров. Однако такие подарки природа делает ученым нечасто, и в ходе раскопок приходится снимать верхние слои почвы и породы, чтобы добраться до так называемого костеносного слоя.

Но найти кости или, если повезет, даже целый скелет — это полдела. Другая половина — извлечь остатки из породы, да так, чтобы они остались в целости и сохранности. Нечасто случается, что кость можно просто вытащить из грунта, не повредив и не сломав ее. Окаменелости зачастую довольно точно воспроизводят строение кости — более твердый внешний слой, губчатая масса или полость внутри. Сохраняются даже мельчайшие отверстия, через которые проходили кровеносные сосуды или нервы, что дает палеонтологам очень ценную информацию о строении древнего организма. При этом, однако, сама окаменелость по прочности может значительно уступать реальной кости. Некоторые фоссилии не просто ломаются, но даже рассыпаются в пыль при малейшем прикосновении.

Пироги на раскопках

Прежде чем пытаться так или иначе извлечь кость из породы, выступающую часть фоссилии подвергают пропитке — процедуре, цель которой зафиксировать и сцементировать форму. Для пропитки используется 10-процентный раствор клея — обычно применяется клей полихлорвинилбутираль. Пипеткой или резиновой клизмочкой раствор аккуратно наносят на поверхность окаменелости. Поскольку пропитка имеет небольшую вязкость, она проникает через пористую структуру фоссилии внутрь, что придает ей прочность.

Если порода, окружающая окаменелость, достаточно мягкая и рыхлая, можно попытаться извлечь из нее кость прямо на месте раскопок. Но это удается нечасто — во многих случаях окружающая фоссилию порода не уступает, а то и превосходит ее по твердости. Тогда окаменелость извлекают из земли вместе с частью породы, а окончательную ее очистку, или препаровку, проводят уже не в полевых условиях, а в лаборатории.

В этом случае используется технология «пирога», или гипсового футляра. Выступающую часть окаменелости пропитывают, обкапывают, оконтуривают, затем на нее аккуратно накладывают бумагу, чтобы гипс не прилип к кости, потом обматывают тонкой тканью, пропитанной жидким гипсом. Процедура идентична той, что проделывают хирурги со сломанной рукой или ногой пациента, чтобы зафиксировать кость.

Когда гипс застынет, нужно приступить к отделению нижней стороны кости от нижележащей породы. Для этого вокруг кости делают углубление в 10–15 м, а потом постепенно выбирают породу снизу — с таким расчетом, чтобы снизу до кости оставалось 5–6 м. Когда это сделано, нужно осторожно повернуть кость гипсом вниз, снять лишнюю породу, пропитать выступающую часть кости клеевым раствором, затем обложить бумагой и обмотать пропитанной жидким гипсом тканью. Такой гипсовый «пирог» пригоден для транспортировки окаменелости в лабораторию.

Если же ставится задача вынуть из земли крепко застывший в породе целый скелет, иногда используют метод монолита. Участники раскопок обозначают прямоугольный участок, внутри которого скелет помещается целиком, и выкапывают по его периметру канавку, куда вставляют деревянные доски, нечто вроде опалубки. Скелет или кости также обкладывают бумагой, заливают гипсом, а весь монолит сверху забивают досками, чтобы получился прочный ящик. Затем из-под участка выбирают породу и извлекают всю прямоугольную глыбу из грунта, ее низ также заливают гипсом и забивают досками снизу. Известны случаи, когда монолит имел размеры 3 × 4 м, так что поднять и транспортировать его можно было только с помощью тяжелой техники — крана и грузовика. Это сложная и довольно рискованная операция — ведь под лежащим наверху скелетом вполне могут оказаться другие ценные окаменелости, которые неизбежно будут повреждены.

Битва с камнем

Препаровка — этим не слишком привычным на слух термином обозначается сложнейший процесс отделения породы от окаменелости. Сотрудник препараторской мастерской должен сочетать в себе знания ученого, точность движений хирурга и даже талант скульптора.

Существуют два основных способа очистки костей от породы: химический и механический. Химический способ основан на различии химических свойств окаменелости и окружающей ее породы. Если порода содержит карбонатный (известковый) цемент, то его можно растворить в пятидесятипроцентной уксусной кислоте. При этом кость исходно имеет фосфатную минеральную основу и к уксусной кислоте в целом устойчива. Однако химический способ следует применять с большой осторожностью, так как фоссилия может также содержать другие минеральные соли, и тогда вместе с породой начнет разрушаться и она. Кроме того, если речь идет, например, об ажурном черепе, внутри которого порода может выполнять цементирующую функцию, химическая препаровка способна нарушить целостность находки. Лишившись скрепляющей основы, череп рассыплется по линиям микротрещин.

Механический способ, как это следует из названия, предполагает механическое воздействие на породу. В качестве простейших инструментов могут выступать молоточек, маленькое зубило, швейное шило и кисточка или зубная щетка. Извлекать кости из породы надо очень аккуратно, со знанием анатомии древних ящеров и с чутьем скульптора, видящего камень изнутри и отсекающего только лишнее. Неверный удар молотком по зубилу или резкий нажим препараторской иголкой могут повредить уникальный образец — раскрошить край кости или оставить царапину на ее поверхности. В других случаях, когда кость собрана в экспедиции в виде кучи обломков, перед препаратором стоит также непростая задача — собрать и склеить эту трехмерную мозаику. Первоначально производят детальный осмотр осколков. Рассматривают характер изломов, наличие пятен, элементов текстуры — все эти данные помогут найти соседний элемент палеонтологического «паззла». Из мелких обломков сначала собирают и склеивают более крупные фрагменты, и лишь затем из них производится окончательная «сборка». Сегодня, разумеется, в арсеналах препараторских мастерских есть и более совершенные инструменты. Например, миниатюрные отбойные молоточки. К ним выпускается большое количество насадок, некоторые из них способны долбить даже так называемые конкреции — сгустки плотной породы, выросшие вокруг кости, которая стала для них центром кристаллизации. Например, кремниевые конкреции практически не поддаются воздействию стальных инструментов, но насадки из твердых сплавов вполне с ними справляются. Другой инструмент современной препараторской мастерской — миниатюрный пескоструй, выбрасывающий под воздействием сжатого воздуха струю мелкого абразива, например соды или талька.

Обработка фоссилии производится в специальной камере с прозрачными стенками, к боковым отверстиям которой подсоединены «рукава», — в них сотрудник лаборатории продевает руки. Все это чем-то напоминает применявшийся в прежние времена фотографами ящик для перезарядки пленки в темноте, только «рукава» защищают не от света, который мог бы проникнуть внутрь, а от абразивной пыли, которая непременно вылетала бы наружу. Это весьма дорогой способ обработки фоссилий — и не только из-за того, что сама аппаратура стоит недешево, но и потому, что абразивные порошки (также дорогие) быстро расходуются и не могут быть использованы повторно. Однако обработка мини-пескоструем дает возможность отделять породу от кости деликатно и бережно. Этот способ фактически имитирует естественное выветривание — ведь многие обнажения костных останков в природе появились в результате работы ветра, годами и веками обрабатывающего грунт песчаной взвесью.

Работа препаратора таит в себе не только многочисленные сложности, но и риски. Дело в том, что в некоторых фоссилиях органический материал замещается солями радиоактивных металлов. Существуют даже ископаемые кости, с которыми просто опасно работать, и их отправляют в специальные хранилища. Однако, даже работая со слегка «фонящими» находками, препаратор должен предпринимать меры предосторожности — в частности, надевать респиратор, чтобы не наглотаться радиоактивной пыли.

Скульпторы и художники

Непосвященный часами может рассматривать ископаемые кости, но так и не понять хотя бы приблизительно, какому животному они принадлежат и из какой части скелета происходят. Истинную наглядность работа палеонтологов приобретает на этапе монтировки. Прежде чем смонтировать из собранных костей скелет, их надо разложить в правильном порядке и оценить, чего же в этом наборе не хватает. Поскольку, как уже говорилось, целый сочлененный скелет — крайне редкая находка, приходится прибегать к скульптурной реконструкции отдельных костей. Здесь палеонтологическая наука впервые встречается с искусством. Как правило, в штате музеев и институтов есть скульпторы-реставраторы. Обладая нужными знаниями и талантами, они способны изготовить недостающие кости или их части. Разумеется, за основу берутся некие образцы. Например, если у животного сохранились окаменевшие остатки правой лапы, а левая потерялась в толще времен, скульптор воспроизводит правую лапу в зеркальном отображении. Если не хватает позвонка, из гипса или пластика лепится нечто среднее между соседними позвонками.

Затем искусство пластическое уступает место искусству изобразительному. Художник по эскизу ученого рисует общую картину-схему скелета. Здесь многое зависит не только от воображения художника, но и от современных научных представлений. Вот характерный пример. В московском Палеонтологическом институте РАН скелеты тарбозавров (родственников легендарного тираннозавра) поставлены почти вертикально на задние лапы, их длинные тяжелые хвосты лежат «на земле». Примерно до середины прошлого века считалось, что эти хищные динозавры — медлительные рептилии, ходившие вертикально и волочившие хвост за собой.

Крокодилостраус

Однако еще в XIX веке некоторые палеонтологи заметили, что задние лапы динозавров почти идентичны птичьим, кости их пустотелы, они поставлены вертикально, а бедро имеет медиальную головку. И еще. Там, где обнаружены следы задних лап того же тарбозавра, нет следов хвоста, хотя если он волочился по земле, то следы неизбежно должны были остаться. Все это в конце концов навело на мысль о том, что животные эти передвигались подобно страусу, держа туловище горизонтально. Хвост же использовался как противовес тяжелой передней части туловища и оставался на весу. Теперь в науке доминирует мнение о том, что динозавр по своему строению и биомеханическому типу есть нечто среднее между своими ближайшими родственниками – крокодилами — и птицами, так что в современных музейных экспозициях скелеты этих ящеров ставят «по-страусиному», горизонтально.

Для сборки скелета первоначально делается металлическая опора, каркас. Она включает в себя вертикальную стойку, железную полосу или трубу, идущую параллельно позвоночному столбу, — «бочку» для ребер. Если скелет собирается не из настоящих костей, а из их копий, слепков, то металлическую арматуру пропускают через отверстия в муляжах костей. С аутентичными окаменелостями приходится быть бережнее. Никаких отверстий — укрепляющие скелет конструкции идут параллельно костям и обжимают их. Изящнее всего выглядят смонтированные скелеты, которые держатся как бы сами по себе, без вертикальных стоек, однако такое возможно лишь при небольших размерах животного. Не следует забывать, что фоссилии — это камень, и вес их весьма существен. Например, черепа больших динозавров, как правило, являются точными копиями, сделанными из легких материалов типа дерева или пластика. Для удержания тяжелой глыбы на высоте пришлось бы делать специальную мощную стойку, что повредило бы общему виду экспоната.

Как определить, правильно ли смонтирован скелет? Таким ли было в реальности реконструированное животное? Ведь случались в истории палеонтологии казусы, когда по ошибке из костей разных животных создавались настоящие химеры. На самом деле ответить на эти вопросы со стопроцентной уверенностью не всегда возможно. Когда речь идет об эпохах, удаленных на десятки или даже сотни миллионов лет, место для неопределенности останется всегда. Важно лишь помнить, что в природе все гармонично и целесообразно, в ней нет места нелепости. И если на вид полученный результат не производит впечатления чего-то уродливого и искусственного, значит, как подсказывает интуиция исследователя, истина где-то рядом.

Редакция благодарит руководство и сотрудников
Палеонтологического института РАН (г. Москва)
за содействие в подготовке данного материла