Окаменелости динозавров - это не всегда минерализованные остатки костей. Ученые могут обнаружить отпечатки ступней, очертания «руки» или крыла.
Иногда палеонтологам удается найти останки тканей динозавра, в том числе кожи и капилляров. И, как выяснилось из невероятной специальной публикации Лондонского геологического общества, иногда можно обнаружить даже мозг!
Как была сделана находка
Охотник за окаменелостями, работая возле Сассекса на юго-востоке Англии почти десять лет назад, наткнулся на небольшую коричневую гальку. После того как группа палеонтологов провела анализ, оказалось, что эта галька на самом деле была окаменелыми мягкими тканями мозга игуанодона - травоядного динозавра, жившего около 133 млн лет назад, в начале мелового периода.
Важно отметить, что это первый пример находки окаменелой ткани мозга динозавра. Хотя первоначальной биологической ткани как таковой больше не существует, невероятно хорошо сохранились сложные детали структуры органа, которые исследователи называют «минерализованными призраками».
Что показал анализ
Подробный анализ также показал, что также были прекрасно сохранены окаменелые остатки нитей кровеносных сосудов, коллагеновых сетей, капилляров и даже внешних слоев нервной ткани.
Соавтор исследования доктор Алекс Лю, палеонтолог из Кембриджского университета, сказал, что ткани мозга «являются одними из наименее вероятных тканей наземных позвоночных, которые могут быть найдены окаменелыми».
Этот несчастный динозавр, кажется, умер возле трясины или топи, почва которой была кислой и обедненной кислородом. Его мозг был, по существу, «замаринован» бактериями, а мягкие ткани минерализовались, прежде чем он исчез.
Особенности вида
Появившись спустя 20 миллионов лет после того, как дебютировали четвероногий стегозавр и птичий, размерами не превышающий ворона, археоптерикс, игуанодон
был лесным, громоздким, двуногим животным, которое питалось низменной растительностью и отбивалось от хищников с помощью необычных шипов. Он принадлежал к орнитисхиям - это динозавры, которые не имели истинных наследственных форм их предков птиц. Несмотря на это, ученые отмечают, что мозг этого травоядного, как представляется, очень похож на птичий. Кроме того, он имеет некоторые морфологические сходства с современными крокодилами.
Разоблачительные открытия
Современные рептилии имеют относительно маленький мозг, причем половина пространства черепной полости в настоящее время поглощается пазухами, которые служат в качестве дренажной системы крови. Любопытно, что ткань в мозгу этого игуанодона предположительно оказывала давление прямо против скелетной структуры. Это может свидетельствовать о том, что мозг динозавров мог быть намного больше, чем предполагалось ранее.
Кажется, что мозг этого динозавра был более похож на мозг современных птиц тем, что он заполнил большую часть соответствующего отдела черепа.
Тем не менее вполне возможно, что драматическая гибель динозавра сдвинула мозг, заставляя его сохраниться в непривычном месте, тогда как на самом деле он мог быть расположен дальше. Не видя его долей, ученые не могут быть уверены в истинном размере этого мозга.
В память о профессоре
Ведущий автор исследования, профессор Мартин Брайзер из Оксфордского университета, (который погиб в автокатастрофе в 2014 году) также исследовал это невероятное ископаемое, и эта публикация ученых была посвящена работе его жизни.
«Профессор Брайзер был очень благосклонным коллегой, и было привилегией работать над публикацией документа по этому объекту в память о нем», - сказал соавтор исследования д-р Рассел Гарвуд, палеонтолог из Университета Манчестера.
Ученый, без сомнения, был бы в восторге, если бы смог увидеть последнюю часть открытия, которая оказалась действительно разоблачительной. В конце концов, возможно, нет лучшего способа выяснить, каков интеллект динозавра, чем изучить его мозг.
Важнейшее палеонтологическое открытие внешне представляет собой непритязательный коричневый булыжник, подобранный палеонтологом-любителем Джейми Хискоком (Jamie Hiscocks) в юго-восточном английском графстве Сассекс. На дворе стоял 2004 год, и поверить в то, что этот кусок камня представляет собой окаменевший мозг динозавра, было практически невозможно.
Правда, что-то все же заставило Хискока не наподдать по непонятному камню ногой, а бережно упаковать его и впоследствии передать ученым. Возможно, на эту мысль охотника за ископаемыми натолкнули отпечатки лап и целые тропинки, протоптанные крупными динозаврами-орнитоподами типа игуанодона (Iguanodon) как раз в том слое, из которого происходил странный булыжник. Дальнейшие исследования показали, что возраст вмещающих пород составляет 133 млн лет и соответствует самому началу мелового периода.
Необычной находкой заинтересовались палеонтологи двух самых знаменитых британских университетов – Оксфордского и Кембриджского. Образец просвечивали рентгеном, сканировали в томографе и засовывали в электронный микроскоп. С каждым новым исследованием появлялось все больше доводов за то, что в руки ученых действительно попал слепок мозга динозавра, близкого к игуанодонам. В булыжнике угадывались мозговые оболочки, кровеносные сосуды и кажется, даже участки коры.
"Шансы на сохранение мозговой ткани невероятно малы, поэтому открытие этого образца является прямо-таки удивительным событием", – подчеркнул один из соавторов исследования, доктор Алекс Лю (Alex Liu) из Кембриджского университета.
Передние доли мозга и гипоталамус оказались развиты настолько хорошо, что дали основание заподозрить владельца мозга в умеренно сложном поведении, аналогичном современным крокодилам. Кстати, и общая структура мозга, и некоторые ее детали очень напоминали содержимое черепа крокодилов – в тех местах, где они не были похожи на птичьи мозги. Мощности ископаемого мозга явно должно было как раз хватить на теоретически предполагаемые для игуанодонов особенности поведения.
Между тем однозначно идентифицировать с систематической точки зрения организм, которому принадлежал этот слепок мозга, не удалось. В английских отложениях этого возраста известны два игуанодоноподобных ящера – Barilium dawsoni и Hypselospinus fittoni. Размеры образца указывают, что длина всего животного составляла 4-5 метров и, следовательно, оно может быть как Barilium (до восьми метров длиной), так и Hypselospinus (до шести метров).
Маринованные мозги
Особый вопрос – как смогли мягкие ткани погибшего сотню миллионов лет назад существа сохраниться до наших дней хотя бы в таком окаменевшем состоянии? Ведь о строении головного мозга динозавров ученым пока приходится судить главным образом по эндокранам – рельефам внутренней поверхности черепной коробки. При этом у динозавров, в отличие от, например, млекопитающих, мозг при жизни не прилегал с костям черепа плотно, и между ними оставались непонятной конфигурации зазоры.
Уникальные условия для окаменения мозга обеспечила окружающая среда. Игуанодон, очевидно, умер прямо на берегу небольшого болота, вода в котором имела кислую реакцию и была практически лишена кислорода. При падении голова ящера погрузилась достаточно глубоко в эти бескислородные слои, а затем труп засыпало осадком. В этих условиях содержимое мозга буквально промариновалось, избежав разрушения донными обитателями или гниения под действием бактерий. И благодаря этому получило необходимое время на то, чтобы заместиться несколькими минералами, в основном фосфатом кальция и микрокристаллическим карбонатом железа.
В заключении остается отметить, что наши знания о содержимом динозавровых черепов и структуре их эндокранных полостей имеют удивительно длинную историю. Первый хорошо сохранившийся череп был найден почти 150 лет назад на острове Уайт и описан как, вероятно, принадлежащий Iguanodon. В 1897 году, изучая этот образец, Чарльз Уильям Эндрюс (Charles William Andrews) предположил, что мозг динозавров не был тесно прижат к стенкам черепа.
Почти 60 лет спустя Джон Остром (John Ostrom) опубликовал исследование по анатомии гадрозавров Северной Америки, в котором обосновал общее мнение, что их мозги не были плотно упакованы внутри черепной коробкой. Перед этим другой известный палеонтолог, Альфред Ромер (Alfred Romer) отметил, что внутренние стенки черепов рептилий отражают форму мозга лишь на раннем этапе своего развития.
"Я всегда верил, что сделаю что-то особенное. Я обратил внимание на странную сохранность образца, и мысль о возможной находке сохранения мягких тканей прочно поселилась в моем мозгу, – вспоминает Джейми Хискок. – Когда ученые спросили, не слышал ли я когда-либо о клетках мозга динозавров, сохранившихся в палеонтологической летописи, я сразу понял, куда они клонят. И я был поражен".
Динозавры, хоть и давно вымершие, известны своими охотничьими способностями, но в меньшей степени - интеллектом. Отчасти это связано с тем, что у многих видов были относительно маленькие мозги. Их головы, защищенные плотными тканями, практически не оставляли места для серого вещества. Однако недавнее обнаружение первых окаменевших тканей мозга динозавра ставит под вопрос эту картину.
Окаменевший мозг был обнаружен на пляже возле Бексхилла в Сассексе, Англия. В нем сохранились ткани мозга крупного травоядного динозавра типа игуанодона, одного из первых идентифицированных видов динозавров. Найденное среди скал, которые сложились во время раннего мелового периода около 133 миллионов лет назад, ископаемое представляет собой эндокаст (мозговую полость), которая сформировалась по мере того, как слои осадочных пород постепенно засыпали череп.
Окаменелости эндокаста находили и раньше, но что необычно в этом образце, так это то, что минерализировался внешний миллиметр мозговых тканей. Следовательно, в окаменелости сохранились некоторые структуры исходных тканей. Изучив окаменелости с помощью сканирующего электронного микроскопа (этот мощный микроскоп позволяет визуализировать очень малые структуры), ученые смогли исследовать эти структуры в мельчайших подробностях.
В ходе исследования удалось обнаружить мозговые оболочки, жесткие коллагеновые наружные мембраны, защищающие мозг. Также крошечные кровеносные сосуды сохранились в виде трубок, проходящих по поверхности образца. Есть даже намеки на более глубокие ткани, которые могли образовать часть коры головного мозга, функциональной части мозга, содержащей нейроны.
Ученые полагают, что такой уровень сохранности был достигнут благодаря «маринованию» тканей мозга перед тем, как они минерализовались, возможно, после того, как динозавр умер в кислом водоеме с низким содержанием кислорода. Мягкие ткани сохранились, благодаря фосфатам и железным минералам, и сканы КТ (компьютерной томографии) показали, что ископаемые также содержат осадки, а также фрагменты листьев, веток и кости.
Все вместе эти наблюдения создают картину динозавра, умирающего в прилично заросшей, болотистой среде. Его голова, вероятно, были похоронена в осадке реки или озера, а недостаток кислорода позволил тканям мозга минерализоваться до того, как они полностью разложились.
Хотя в том, что у динозавров были мозги, нет ничего удивительно, поразительно, как они умудрились сохраниться на протяжении многих миллионов лет. Теперь, когда мы знаем, что мозг динозавра мог сохраниться таким образом, мы будем ждать новых открытий и находок других образцов, сохраненных аналогичным образом.
Динозавры с птичьим мозгом
Это образец может также раскрыть информацию о размере мозгов динозавров, который рассматривается некоторыми учеными как примерный индикатор их интеллекта. Мозги современных рептилий вроде крокодилов зачастую окружены плотными защитными тканями. Ранее ученые уже предполагали, что мозги динозавров могут быть похожи, и собственно ткани мозга занимают не больше половины объема черепной коробки.
Однако окаменевший мозг показал, что у игуанодона защитные мембраны были всего миллиметровой толщины. Следовательно, мозг динозавра должен был занимать большую часть черепной коробки, как у современных птиц. Это, в свою очередь, может означать, что у игуанодона был более высокий интеллект, чем предполагали раньше. Выходит, иметь «птичий мозг» не так уж и плохо. Впрочем, возможно, осадочные породы раздавили защитный слой, сделав его тоньше, чем он был на самом деле.
Есть одна гипотеза о наличии двух видов мозга у некоторых видов динозавров — это обычный головной мозг и так называемый «задний» мозг, расположенный в районе таза животного. Предположительно, двойной мозг мог быть у зауроподов и стегозавров. Самым ярким представителем этой особенности называют диплодока-гиганта, который был вооружен бронированными треугольными пластинами.
На самом деле, никто и никогда не видел ни живого динозавра, ни его мозга, то ли переднего, то ли заднего. В арсенале у палеонтологов только окаменевшие скелеты или же их части. Всё же, что навело на мысль о заднем мозге?
Всё просто. У вышеупомянутых видов динозавров есть интересная особенность строения, а именно — расширение спинного канала в области таза. Если бы эта полость была заполнена обыкновенной нервной тканью, то по обьему «задний» мозг превысил бы объём переднего в 15 — 20 раз. Вот тут-то и начинаются вопросы, на которые не смог ответить создатель этой теории американец — исследователь динозавров Гофониил Марш в 19 веке. Сегодня специалисты отвергают теорию Марша и утверждают, что в расширенном тазовом канале находилось не мозговое вещество, а гликогеновое тело, состоящее из нервных волокон. Но эти волокна несли в себе гликоген, т. е. большое содержание полисахаридов. Вывод такой — это никакой не мозг, а источник, который даёт нервной системе динозавра дополнительную энергию. Кстати, у птиц также есть гликогеновое тело, и, не удивительно, — ведь динозавры были их предками.
Существует ещё одна теория о втором мозге у древнего ящера, но в ней автор второй мозг помещает в живот особи. Вопрос — для чего? Ответ: животное — огромное, сигнал от мозга к хвосту идёт не так быстро, а спасаться надо. Рудиментарные руки — лапы уже не помогают в экстремальной ситуации, значит, животное приспосабливается и создаётся орган, позволяющий управлять хвостовой частью тела. Сделаем вывод — наличие в животе нейромедиаторов вполне могло быть в действительности.
Мозг и его расположение схематично обозначены на фоне головы игуанодонта
Окаменелости мягких тканей некоторых древних животных очень подробно изучены. Есть образцы со всего фанерозоя (он начался ≈542 млн лет до н.э., продолжается до сих пор). Есть образцы даже из позднего неопротерозоя, который предшествовал фанерозою. Научное обсуждение строение мягких тканей и мозга древних морских беспозвоночных стали обычным делом. Совсем другое дело - окаменелости мягких тканей позвоночных, а особенно наземных. Это большая редкость.
Среди этих редких находок самыми ценными считаются окаменелые останки мозга, потому что мягкие ткани мозга очень неустойчивы по своей природе. По-большому счёту, мы практически ничего не знаем о мозге древних позвоночных, живших полмиллиарда лет назад. Насколько был развит мозг и как устроен? Эти данные учёные получали в основном из косвенных источников, а не в результате наблюдений.
Такими косвенными источниками являлись сравнительные анатомические исследования близко связанных сохранившихся таксонов, изучение внутренностей окаменелых черепов - эндокрана , то есть рельефа на внутренней стороне черепной коробки, отражающего рисунок крупных борозд и извилин головного мозга и, в некоторых случаях, крупных сосудов. По эндокрану можно сделать выводы о форме и структуре мозга с помощью 3D-реконструкции. Например, см. работу Курочкина с коллегами 2007 года с изучением птичьего мозга по окаменелостям, найденного в отложениях разреза Меловатка−3 в Волгоградской области (Россия). Это одна из самых подробных научных работ на эту тему в мировой науке.
Находки окаменелостей древних наземных позвоночных с эндокраном - редкие события сами по себе (нечасто внутренний рельф черепа сохраняется настолько хорошо). А вот окаменелости мягких тканей мозга наземного организма учёным вообще никогда не удавалось получить.
Удивительно, что несмотря на фактическое отсутствие объекта исследований, учёные потратили немало сил на изучение мозга динозавров по черепам. Первый хорошо сохранившийся череп динозавра был найден в 1871 году. Спустя 26 лет учёные подробно исследовали внутренности черепа игуанодонта , попытавшись определить функциональные отделы и структуру его мозга. Игуанодонты - растительноядные птицетазовые динозавры, жившие в Европе и других регионах 140−120 млн лет назад. В том числе на территории нынешних России, Украины и Беларуси.
Скелет игуанодонта в музее Бремена
В 1977 году Дэвид Норман довольно подробно изучил структуру мозга игуанодонта по эндокрану, с подробностями морфологии кровеносной, нервной и вестибулярной систем.
В то же время учёные склонялись к мнению, что давление мозга на череп у взрослых динозавров было низким. Это значит, что внутренняя форма черепа формировалась у них в раннем возрасте, когда череп не успевает за ростом мозга. Соответственно, проведённые и упомянутые выше исследования эндокрана относятся скорее к неразвитому мозгу на ранних стадиях. У взрослого динозавра, образно говоря, в большом черепе может скрываться маленький мозг, а всё остальное пространство заполнено иным содержимым. По крайней мере, до сих пор существовал распространённый образ, что у динозавров в мозге было мало серого вещества. Как у современных рептилий, у которых между мозгом и черепом есть толстый защитный слой. Специалисты предполагали, что у динозавров тоже может быть такой.
В 2016 году учёные впервые получили доступ и тщательно изучили настоящие окаменелые останки мозга динозавра . Это опять игуанодонт. Образец найден коллекционером на побережье в окрестностях курортного городка Бексхилл в графстве Сассекс на юго-востоке Англии, в отложениях раннего мелового периода (≈133 млн лет назад).
Место находки окаменелостей мозга
Исследование окаменелости с помощью сканирующего электронного микроскопа выявило детальные структуры мозга, в том числе менингеальные ткани, кровеносные сосуды (включая капилляры) и бывшие внешние кортикальные ткани, которые относятся к коре больших полушарий головного мозга. В окаменелостях они замещены фосфатом кальция, то есть коллофаном. В этом и состоит уникальность находки - это первый образец, в котором частично минерализовалась даже кора полушарий.
Весь процесс минерализации мозга схематично изображён на иллюстрации. Слева внизу показан фрагмент окаменелости, который сохранился к настоящему времени. Это примерно третья часть мозга динозавра по объёму. Зелёный цвет соответствует коллофану, красный - сидериту, то есть карбонату железа, тоже материалу осадочного происхождению, его часто находят в известняках.
По мнению учёных, мозг динозавра сохранился настолько хорошо благодаря тому, что перед минерализацией он очень быстро замариновался (засолился). Возможно, динозавр после смерти упал в воду, а затем его череп хранился в донных отложениях реки или озера.
Изучив окаменелости тканей мозга, учёные могут сказать, что у этого игуанодонта нет такого толстого защитного слоя между мозгом и черепом. Защитные мембраны у него толщиной всего 1 мм. Это значит, что у динозавров мозг заполняет большую часть пространства черепной коробки, примерно как у современных птиц.
Это вдобавок означает, что игуанодонт обладал гораздо более высоким интеллектом, чем предполагалось ранее, если относительный объём мозга соответствует уровню мыслительной деятельности животного.
Правда, есть вероятность, что под воздействием гравитации окаменелые останки могли сплющить защитную мембрану, так что для полной уверенности в более высоком интеллекте динозавров желательно найти другие образцы окаменелостей мозга.
