Как исследователи устанавливают окраску ископаемых животных?

10:21 09 ноября Киев, Украина

Еще десять лет назад в реконструкциях животных, живших в мезозойскую эру, доминировала такая традиция: общий план телосложения восстанавливали по проверенным данным на основе скелета, а цвет и фактуру внешних покровов делали скорее по художественному осмыслению, чем реальной реконструкцией.

Правда, уже тогда ученые понимали, что слабо изученные мягкие ткани доисторических животных скрывают в себе сведения, способные перевернуть наше представление о внешнем облике древних существ. Хрестоматийной в этом отношении оказалась ситуация с перьями некоторых динозавров. Еще в начале 90-х велоцираптора и его многочисленных родственников представляли как небольшого двуногого дракончика с типично ящеричной гладкой кожей.

Однако все изменилось за десятилетие под влиянием новых находок. Велоцираптор оказался покрытым перьями, и его стали изображать скорее, как хищного фазана, не умеющего летать. Да и среди других динозавров оказалось немало таких, которые были покрыты перьями. А в 2003 году китайские палеонтологи описали микрораптора – родственника велоцераптора размером
примерно с современного голубя, жившего около 130 миллионов лет назад.
Микрораптор и его цвет
Микрораптор не просто имел перья. Каждая из четырех его конечностей была оснащена мощными маховыми перьями и могла работать как крыло. Благодаря этому животное могло перелетать с одного дерева на другое. А в 2012 году группа американских и китайских исследователей опубликовала статью, в которой одними из первых сделали действительно научную реконструкцию окраски микрораптора.

Это удалось благодаря изучению меланосом, остатки которых сохранились в ископаемых останках микрораптора. Меланосомы – это крошечные органоиды, содержащиеся в клетках животных, которые содержат меланин и поглощают свет с определенной длиной, обеспечивая окраску перьев и меха. Исследователи сравнили выделенные из останков микрораптора мелоносомы с большой выборкой меланосом современных птиц.

Статистический анализ позволил с большой вероятностью предположить, что микрораптор был черным с синим отливом.
Микрораптор
При этом цвет этого, по мнению исследователей, мог выполнять социальные функции. Также это исследование интересно тем, что в нем ученые обратили внимание на то, как форма и размер меланоса влияют на окраску перьев. Так ученые с энтузиазмом принялись за систематическое изучение меланосом.

Меланосомы хладнокровных и теплокровных животных
Уже в 2014 г. было опубликовано обширное исследование, в котором ученые из Техасского университета в Остине проанализировали, как форма и размер меланосом связаны с цветом, и как эти меланосомы изменялись при переходе к птицам от их ближайших родственников – манирапторов. Исследователи проанализировали меланосомы 131 ныне живых видов позвоночных (не только птиц) и 18 ныне вымерших видов, а также множество научных статей, относящихся к самим меланосам.

Они пришли к выводу, что у хладнокровных и теплокровных животных влияние формы меланосом на окраску может определяться разными правилами. Меланосомы современных черепах, ящериц и змей демонстрируют гораздо меньшее разнообразие по форме и размерам, чем у их достаточно близких родственников – птиц. При этом современные рептилии тоже демонстрируют большое разнообразие цветов.

Анализ ископаемых остатков показал, что "сдвиг" в разнообразии меланосом произошел где-то среди непосредственных предков птиц - манирапторов. Более ранние архозавры , в том числе и те, для которых достаточно уверенно было установлено
наличие «протоперьев», имели меланосомы сферической формы, характерные для современных рептилий.
“Взрыв” разнообразия формы меланосом произошел непосредственно перед тем, как появились настоящие перья, что позволило совершать активный полет . Интересно также, что гены, отвечающие за форму меланосом, участвуют во многих других процессах, таких как усвоение пищи, поведение и размножение. Так что вполне возможно, что именно в этот момент произошел переход от хладнокровия к теплокровности, а развитие перьев и появление способности к полету стали лишь его следствием.

Это исследование позволило по новому взглянуть на природу расцветки, которая теперь достаточно прочно ассоциировалась с физиологией. Как именно гены, отвечающие за форму меланосом привели к появлению теплокровности, было не очень точно понятно, но ясно было, что форма этих органелл может многое рассказать по физиологии существа.

Как узнать меланосому?
Так или иначе, но после появления этой работы ученые убеждены, что теперь они смогут легко определять цвет кожных покровов вымерших существ. Уверенность эта продержалась около месяца.

В марте 2014 года вышел труд Элисон Майер из Университета Северной Каролины, в которой исследовательница подвергла сомнению всю работу ученых, воспроизводивших цвет вымерших пернатых к ней.

Майер предположила, что меланосомы на ископаемых перьях могут оказаться совсем не меланосомами. Для этого ей понадобился небольшой эксперимент с куриными перьями. Майер вырастила на них несколько видов бактерий, и исследовала их теми же методами, которые обычно применяются при изучении ископаемых перьев. Оказалось, что этими способами отличить бактерии от меланосом практически нереально. Более того, бактерии имеют больше шансов сохраниться в течение
миллионов лет. Все выводы о цвете мезозойских животных могут оказаться ложными.
Мезозойская эра
Однако ученых это открытие не остановило и они нашли способ убедиться, что крошечные (в 50 раз меньше толщины человеческих волос) образование на ископаемых перьях – действительно меланосомы, а не бактерии. Этот метод был использован в исследовании ученых из Университета Северной Каролины и Китайской академии наук, опубликованном в 2016 году. В нем исследователи изучали остатки эоконфуциорниса – птицы, которая жила почти одновременно с микрораптором. Эта птица, которая была размером с современную ворону, уже имела клюв, подобный современным птицам и не имела зубов.

Исследовав остатки перьев эоконфуциорниса, ученые обнаружили в нем большое количество микрочастиц, которые могли быть как меланосомами, так и бактериями. Чтобы отвергнуть сомнения, была использована сканирующая электронная микроскопия и определен химический состав образований. В первую очередь, исследователи обратили внимание на бета- кератины , которые свойственны именно меланосу и совсем не встречаются в клетках бактерий. Кроме того, была найдена медь, которая однозначно указала, что найденные образования – именно меланосомы, и по их форме было установлено, какой же окрас имел эоконфуциорнис.

Окраска и физиология морских черепах
Новый подход позволил ученым вновь избавиться от неопределенности и уже увереннее говорить о цвете покровов различных существ, населявших мезозой и начало кайнозы. Постепенно от остатков птиц и их родственников исследователи перешли к другим существам, в том числе населяющим океаны. В 2017 году была опубликована статья , авторами которой были исследователи все того же Университета Северной Каролины в сотрудничестве со шведским Университетом Лунду и
Университетом Хийого из Японии.
Они исследовали остатки мягких тканей ископаемой морской черепахи Tasbacka danica , возраст которых оценивается в 54 миллиона лет, животного, жившего уже после вымирания динозавров. Был исследован небольшой фрагмент длиной около 10 сантиметров. Для этого использовалась та же методика, что и при исследовании перьев эоконфуциорниса.

Современные морские черепахи имеют темную окраску сверху и светлую – снизу. Такое распределение выполняет несколько функций. С одной стороны, это позволяет им оставаться менее заметными, как для тех хищников, охотящихся на них из воздуха, так и для притаившихся на глубине. Кроме того, темная окраска верхней части тела позволяет этим хладнокровным существам поглощать больше солнечного света и быстро нагреваться в холодной воде.

Обнаруженные в остатках мягких тканей меланосомы и кератин указали, что у Tasbacka danica все было так же. Похоже, что, как и в случае с птицами, цвет кожи этих морских рептилий не был случайным, а играл значительную роль в физиологии. Так что изучать его в отрыве от остальных особенностей мягких тканей было неверно.

Теплокровные ихтиозавры
Именно поэтому исследователи, опубликовавшие в декабре 2018 года статью об исследовании остатков ихтиозавра Stenopterygius ichthyosaur , сделали акцент не на цвете его кожи, а на особенностях их физиологии. Да, на этот раз меланосомы уже не были центральным объектом исследования. Преимущественно их форма интересовала исследователей
преимущественно в связи с тем, что она свидетельствовала в пользу теплокровности ихтиозавров.
Кроме того, оказалось, что эти создания имели толстую прослойку жира, которую использовали в качестве термоизолятора. Вместе с живорожденным эти особенности делают ихтиозавров даже более близкими по физиологии к современным морским млекопитающим, чем считалось до сих пор. Кроме того, удалось точно установить, что ихтиозавры полностью потеряли чешую на коже, что также приближает их к современным китам и дельфинам.

В конце концов можно сделать вывод о том, что исследование цвета древних существ сейчас вылилось во что-то большее. Начав раскручивать эту загадку, ученые пришли к пониманию того, что окрас кожи невозможно изучать без связи с физиологией животного. А это, в свою очередь, заставляет палеонтологов все подробнее изучать не скелеты ископаемых животных, а их мягкие ткани. И, может быть, именно в этом кроется путь к предстоящим переворотам в нашем представлении о жизни прошлых эпох.