Окаменевшие мозги

Мозги
«гиенодона
ужасного»
С.В.Савельев,
А.В.Лавров,
НИИ морфологии
человека РАМН,
Палеонтологический
институт РАН
мозги
Л
редставьте себе картину: пустыня, лагерь
экспедиции, ветер гонит песок на закат.
Палеонтологи нашли череп неизвестного зверя.
Миллионы лет смотрят на исследователей пустыми
глазницами черепа. От скелета — ни одной
косточки. Что мы можем узнать о раскопанном
звере?Даже с живущими сейчас, но редкими
видами млекопитающих сколько лет зоологи бьются,
чтобы понять их образ жизни, адаптации
и поведение. А с ископаемым зверем не известно
ничего: длинные лапы у него были или короткие,
ночной это был зверь или дневной, добрый
или агрессивный, хорошо ли бегал, умел ли лазить
по деревьям? Даже череп, который держит в руках
палеонтолог, не костяной: это рассыпающаяся
в руках окаменелость, пыль под ногами... На вопросы
нет ответа. Если бы ученые не научились «читать»
по окаменевшим мозгам,
то нам пришлось бы подождать
лет 20-40, а может, 100,
пока не найдут второй
череп с частью скелета".^
Ч
древнего зверя.
Скелет саблезубого тигра
40
Что и как сохраняется в природе
Даже неспециалисту понятно, что чем прочнее скелет (как у слона
или крокодила) или панцирь (моллюска или черепахи), тем больше
у него шансов сохраниться. Хрупкие скелеты и пористые кости птиц
имеют намного меньше шансов остаться в геологической летопи­
си, поэтому находки ископаемых птиц крайне редки по сравнению
с рептилиями, млекопитающими и рыбами. Сохранность костей
зависит также от того, где лежат скелетные остатки. Сотни тысяч и
миллионы лет они могут сохраняться только в рыхлой породе. Иде­
альные условия — водоемы с небыстрым течением: равнинные реки,
озера, болота. В умеренном климате кости крупного млекопитаю­
щего (коровы, верблюда), лежащие на поверхности земли, пре­
вратятся в пыль и кучку карбонатной крошки за пять лет, а в аркти­
ческом и экваториальном намного быстрее. Но даже самые проч­
ные скелеты и панцири могут раствориться без остатка, если грун­
товые воды в районе захоронения кислые (pH < 7).
А бывает и по-другому: пустоты, образовавшиеся от разло­
жения скелета в горной породе, заполняются минеральными
соединениями, и тогда формируются псевдоморфозы. Они ча­
сто встречаются при изучении водных млекопитающих. Почти
все известные кости ископаемых тюленей — это псевдоморфо­
зы, в которых кости замещены карбонофторапатитом —
Ca 5 (PO 4 ) 3 (CO 3 )F. Иногда кости з а м е щ а ю т с я л а н г и т о м
Cu4SO4(OH)6, придающим слепкам жутковатый зеленый оттенок,
или пиритом FeS2 — в этом случае они становятся черными,
хрупкими и рассыпаются при длительном хранении в пыль.
В какой бы породе ни оказались скелетные остатки, со вре­
менем их состав меняется. Процессы изменения первона­
чального минерального состава, происходящие в ске­
летных остатках, называются фоссилизацией. Кости
животных состоят из коллагена, кальцита и апатита.
Постепенно коллаген разлагается, апатит обезвожи­
вается, костное вещество пропитывается минераль­
ными солями, в том числе соединениями тяжелых
металлов. Со временем содержание апатита в ис­
копаемых костях увеличивается, и, когда концентрация ионов Ca +2 и PO –3 достигает необходи-
т
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
мого значения, фосфат кальция кри­
сталлизуется (правда, для этого нуж­
на щелочная почва, pH>7). Этому спо­
собствуют бактерии и центры крис­
таллизации, которые образуются на
границе раздела кость — водный ра­
створ. Участие бактерий в фосфатизации костей на первый взгляд не
очевидно, но оказалось, что их вклад
весьма большой. Жизнедеятельность
бактерий при разложении организмов
повышает щелочность среды до
рН=7,7, а это необходимое условие
осаждения фосфатов. Растворенный
фосфат содержится в специальных
полостях бактерий — волютиновых
гранулах. В плохих условиях среды,
когда бактерии находятся в угнетен­
ном состоянии, их скопления покры­
ваются слизью, содержащей нитифибриллы. На эти фибриллы и осаж­
даются первичные микроскопические
кристаллы фосфата. После гибели
бактерий растворенные фосфаты из
их тел попадают в микрополости внут­
ри кости погибшего организма. Там
они и осаждаются в кристаллической
или аморфной форме. Этот процесс
успешно идет в присутствии кальция
(он вымывается из костей, где его
много), а также фтора и хлора. В ре­
зультате образуется ряд изоморфных
разновидностей апатита.
Гораздо реже, чем скелеты, сохра­
няются внутренние органы. Они мо­
гут избежать распада только во льду
или вечной мерзлоте, где ученым по­
счастливилось найти органы брюш-
ной полости мамонтов, шерстистых
носорогов и бизонов, живших в лед­
никовом периоде около 2 млн. лет
назад.
Немного лучше обстоит дело с мяг­
кими тканями. Если они фосфатизируются раньше, чем сгниют, то пре­
красно сохранятся (фосфатизация —
это замещение тканей минеральны­
ми соединениями фосфора, а карбонатизация — соединениями карбона­
тов). Фосфатизироваться может толь­
ко оболочка или полностью вся мяг­
кая ткань. Например, К. Мюллер рас­
творил в уксусной кислоте известня­
ки из кембрийских отложений (воз­
раст более 500 млн. лет) и выделил
много личинок беспозвоночных. Изу­
чив их, он пришел к заключению, что
личинки фосфатизировались сразу
после смерти, вероятно, за счет рас­
творенного в воде фосфата. Ученые
пытались смоделировать в лабора­
торных условиях искусственную фосфатизацию мышц современных кре­
веток Crangon и Palaemon, и оказа­
лось, что этот процесс в тканях з а ­
метен уже через четыре недели.
Ископаемые мозги
Хуже всего дело обстоит с мозгами,
так как нервные ткани и мозг в наи­
большей степени подвержены тлену
(«рыба гниет с головы»). Однако и
здесь есть небольшой шанс: полость
на месте разложившегося мозга за-
полняется карбонатами или мелкооб­
ломочной породой (от ила до среднезернистого песка), которая со вре­
менем уплотняется, так что в черепе
образуется природный слепок мозга.
Иногда такой слепок формируется в
результате карбонатизации или фосфатизации.
У рептилий, амфибий и рыб мозг
занимает очень маленькую часть объ­
ема черепа, а в мозговой коробке есть
множество крупных отверстий, но даже
у них может сформироваться природ­
ный слепок мозга. Известны слепки
мозга панцирных рыб, динозавров,
ящериц. Головной мозг млекопитаю­
щих заключен в мозговую коробку —
плотную оболочку, образованную кос­
тями черепа. Мозговая коробка, в за­
висимости от степени развития мозга,
может занимать от 10 до 70% объема
черепа. Борозды, извилины и крупные
кровеносные сосуды мозга создают на
внутренней поверхности коробки рель­
еф. Конечно, слепок не совсем точно
воспроизводит его строение, например
мелкие борозды и извилины могут не
отобразиться. Это связано с тем, что
твердая мозговая оболочка отстоит от
поверхности мозга на некоторое рас­
стояние и потому не повторяет во всех
деталях его рельеф. К тому же в про­
межутке расположены мягкая и паутин­
ная оболочки и спинномозговая жид­
кость, предохраняющая «индивидуаль­
ный бортовой компьютер» от сотрясе­
ний. Точнее всего форма мозговой
полости повторяет форму мозга у хищ­
ников, а хуже всего — у слонов.
Представим себе, что нам фантас­
тически повезло и мы нашли целый
череп ископаемого зверя или птицы.
Можно попробовать распилить его
или разрушить височные и теменные
кости, хотя решиться на это палеон­
тологу очень нелегко. Если совсем по­
везет, то внутри мы обнаружим сле­
пок мозга, пригодный для изучения.
Но в том-то и состоит одно из глав­
ных затруднений — у палеонтологов
проблема с целыми черепами. Прав­
да, в музеях мира хранятся природ­
ные слепки мозга почти 150 видов ис­
копаемых млекопитающих, собранные
палеонтологами с конца XVIII века. Но
41
Череп параксиены
(хищника того ж е семейства,
ч т о и гиенодон):
1 — до препарирования
(вид сверху);
2 — до препарирования
(вид сбоку);
3 — после препарирования
(вид сбоку)
это только малая часть, поскольку
видов, у которых можно было бы изу­
чить строение мозга, гораздо боль­
ше. Если внутренняя поверхность
мозговой полости ископаемого зве­
ря сохранилась, то с нее можно сде­
лать искусственный слепок мозга. С
помощью современных резин на латексной основе получают очень точ­
ные слепки, которые передают не
только скульптуру, но и текстуру по­
верхности кости, с отпечатками мел­
ких кровяных капилляров.
В ХХ веке ученые довольно подроб­
но исследовали анатомию мозга ис­
копаемых животных. В научных пуб­
ликациях обычно приводят пропорции
основных отделов мозга ископаемых
зверей, отличия от наиболее близких
ныне живущих «родственников» и на­
звания наиболее крупных кровенос­
ных сосудов, борозд. Так, в частно­
сти, в 1932 году ученые описали мозг
саблезубого тигра смилодона, а в
1973 году — искусственный слепок
мозга самого большого креодонта
42
(длина черепа 67 см).
Но м о р ф о - ф у н к ц и о нальный анализ мозга —
реконструкцию основных
экологических и этологи­
ческих (поведенческих)
особенностей организ­
ма — проводят очень
редко, хотя эти иссле­
дования наиболее ин­
формативны. Одна из4
наиболее известных ра­
бот — исследование
природного слепка э н - .
докрана (внутричереп­
ной полости) гигантской
ископаемой куницы пе­
руниум
(Perunium
ursogulo), выполненное
академиком Ю.А.Орловым (1947).
Большой вклад в развитие науки о не­
рвной системе ископаемых организ­
мов (палеоневрологии) внес амери­
канский исследователь Л.Радинский.
Он систематизировал накопленные
знания о строении и развитии мозга
отдельных групп млекопитающих и
описал их в своих книгах.
По внешнему строению мозга и со­
отношению его отделов в больших
полушариях и мозжечке о вымершем
животном можно сказать почти так же
много, как если бы на него дали по­
смотреть какое-то время в зоопарке.
В последние годы бурно развивают­
ся нейроморфология и цитоархитектоника (эти науки занимаются иссле­
дованием строения нервной системы
на клеточном уровне). С их помощью
удалось многое узнать о строении
мозга у современных млекопитающих,
и это, в свою очередь, помогает ре­
конструировать экологические и это-логические особенности ископаемых
животных.
Ископаемые хищники
Креодонты — ископаемые хищники,
отряд вымерших млекопитающих,
включающий более 70 родов («креос»
на древнегреческом означает мясо,
а «одонт» на латинском — зуб). Эта
группа по происхождению родствен­
на современным хищникам: собакам
и кошкам. Они появились вскоре пос­
ле гибели последних динозавров (58
млн. лет назад) и вымерли 10-11 млн.
лет назад (последние представители'
отряда жили в Индии). Креодонты
были не менее разнообразны, чем
современные хищники. Среди них
встречались гиганты (мегистотерий —
длина черепа 67 см, резцов в верх­
ней челюсти было всего два, и, судя
по форме, они выполняли роль до­
полнительной пары клыков) и карли­
ки (теритериум — зверек размером с
горностая; длина черепа 4 см). У кре­
одонтов было больше коренных зу­
бов, чем у современных хищников,
пятипалые конечности и небольшой
примитивный головной мозг. Также
они имели непропорционально боль­
шую голову по сравнению с тулови­
щем (только у мелких представите­
лей пропорции тела и черепа были
обычными). Так, зверь с длиной тела
от носа до основания хвоста один
метр имел череп длиной 30 см. А у
мегистотерия, представителя того же
подсемейства, что и гиенодон, — во­
обще 70 см, при туловище как у боль­
шого медведя 2-2,5 м. Весь скелет
не нашли, и размеры оценили по
фрагментам только нескольких кос­
тей. Часть видов креодонтов извест­
на по куску челюсти с парой зубов, а
некоторые по целым скелетам.
Креодонты во многом — загадочная
группа. Для понимания ее биологии
Череп гиенодона
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
'
был необходим дополнительный ме­
тод. Поскольку от нескольких видов
креодонтов сохранился окаменевший
мозг, то этим методом как раз и ока­
зался сравнительно-анатомический
анализ природных отливов мозга.
Среди креодонтов выделяется ряд
родов, которые принято объединять
под названием гиенодоны (в переводе
с латинского — гиенозуб). Эти звери
внешне были похожи на псовых хищ­
ников (волков, сумчатых волков). Ли­
цевой отдел был заметно удлинен, а в
широкой пасти открывался длинный
ряд острых как бритва зубов. Извест­
ны десятки видов гиенодонов, живших
в Северной Америке, Европе и Азии.
Ученые нашли полные скелеты только
пяти видов. Размеры черепа у разных
видов меняются от 10 до 45 см.
Гиенодоны — совершенные
орудия убийства
В Музее естественной истории Иельского университета хранится распи­
ленный череп Neohyaenodon horridus
(в переводе с латыни его видовое на­
звание — новый гиенодон ужасный).
Обитал он в Северной Америке (в Азии
жил близкий к нему вид) в позднем
эоцене и олигоцене (примерно от 40J
до 20 млн. лет назад). Для этого вида
также характерно соотношение чере­
па к длине тела 1:3. Мы исследовали
его мозг — при длине черепа 31 см,
длина больших полушарий мозга рав¬
нялась всего 5,2 см, а высота 4 см. В
огромной голове, за костяной броней
в палец толщиной, находился мозг
размером с плод киви — около 90 см 3 !
Верхняя и боковые поверхности боль­
ших полушарий мозга — это неокортекс (новая кора мозга, вместилище
приобретенных навыков). На его по­
верхности мы нашли несколько пар
борозд и извилин, ориентированных
от носа к затылку. Надо заметить, что
у предков современных собак, у древ­
них псовых, живших 2 млн. лет назад,
борозды на мозге имели похожую
продольную конфигурацию. Ринальная борозда, отделяющая неокортекс
от палеокортекса («подкорки»), про­
ходит у гиенодонов вблизи нижней
поверхности мозга, как у современ­
ных хищников.
Для сравнения: у ежей неокортекс
только сверху прикрывает большие
полушария, как детский беретик на
голове взрослого человека, а бороз­
ды и извилины (неокортикальные
складки) вообще отсутствуют.
Что же нам удалось выяснить, ис­
следуя мозг гиенодона? Физиологи­
ческие особенности и поведение жи­
вотных реконструируют по принципу
нейроморфологических корреляций.
То есть смотрят, как развиты одни
части мозга по отношению к другим,
поскольку зоны, отвечающие за вы­
полнение наиболее важных функций,
увеличиваются.
Если мы говорим о плотоядных мле­
копитающих, то у них самое главное —
то, как развиты двигательные центры
головного мозга (моторная кора). Это
ключ к пониманию их поведения, по­
тому что тип движения (медленный
бег, спринтерский бег, лазание, прыгание) определяет поиск и добычу
пищи. Моторная кора гиенодона за­
нимает обширный участок в передней
части больших полушарий, а в ней
преобладают отделы, отвечающие за
мускулатуру задних конечностей и кис­
тей передних. Причем зона управле­
ния передними конечностями занима­
ет большую площадь коры мозга, чем
зона задних. У гиенодонов, в отличие
от гиен, передние и задние ноги име­
ли одинаковую длину. С помощью зад­
них зверь совершал резкие броски за
добычей, а передние, возможно, были
нужны для того, чтобы управляться с
пищей. Весьма вероятно, что эти хищ­
ники копали передними лапами почву,
устраивали норы, искали мелкую до­
бычу, обитающую в норах (грызунов в
конце эоцена было уже много).
Судя по развитию соответствующей
зоны в моторной коре, у гиенодона
была очень мощная шейная мускула­
тура. Понятно, ведь поддерживать и
поворачивать огромную голову было
весьма непросто. Мощная шея была
также необходима, чтобы удерживать
схваченную зубами и вырывающуюся
жертву. Судя по строению шейного
отдела позвоночника, у зверя была
высоко посаженная голова, то есть
короткая шея располагалась почти
вертикально.
Один из наиболее важных вопросов,
на которые можно ответить, исследуя
мозг ископаемого животного, это как
у него были развиты зрение, обоня­
ние и слух, а из этого сделать заклю­
чение о его образе жизни. Если зре­
ние развито слабо, а слух хорошо, то
зверь был ночным или жил в густых
зарослях под пологом леса; если зре­
ние развито хорошо, то обитал на
открытых пространствах и т. д. Что
касается гиенодона, то у него лучше
было развито зрение. Зрительная
кора занимает огромную зону боль­
ших полушарий — она больше, чем
сомато-сенсорная и слуховая, вмес­
те взятые. О хорошем зрении гово­
рит и непропорционально большой
диаметр зрительного нерва. Глазные
орбиты гиенодона расположены уни­
кально для наземных млекопитающих:
строго по бокам головы (поэтому сек­
тор обзора составлял 320-340°), а
спереди и сверху прикрыты костями
черепа, образующими полки. Это
было эволюционным приобретением
гиенодонов, поскольку у их предков
глаза были сдвинуты вперед, как у
современных собак. Небольшие бо­
роздки на поверхности зрительного
нерва говорят о том, что у гиенодона
43
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
было и бинокулярное зрение с углом
30–40°. Это значит, что его глаза в и ­
дели не две разные плоские картин­
к и , каждый свою, а одну совмещен­
ную и объемную. Может быть, ему для
этого надо было поднять нос вверх и
сдвинуть вперед и вниз крупные, под­
вижные, выпуклые глаза.
Степень развития слуха можно о п ­
ределить по площади неокортекса,
занимаемой так называемыми пер­
вичным и вторичным слуховыми п о ­
лями. У гиенодона они меньше, чем у
современных хищников. Да и обоня­
тельная система гиенодона была раз­
вита не очень сильно. Видимо, он
если и мог различать разнообразные
запахи, то анализировать все их раз­
нообразие — вряд ли, разве что при­
митивно: съедобно, несъедобно, де­
теныши, половой партнер и т. д .
«На затылке» гиенодона расположе­
но ассоциативное поле — главный
«интеллектуальный» центр. Основыва­
ясь на информации, поступающей от
органов чувств, зверь решал, как себя
вести. Ассоциативное поле у гиенодона большое, что довольно неожидан­
но для столь древнего зверя, которо­
го палеонтологи традиционно счита­
ли простым, как сумчатый опоссум.
Это свидетельствует о сложном и эмо­
ционально окрашенном поведении.
По задней части височной области
можно понять, как у животного были
развиты ориентировочные реакции,
спонтанная и сексуальная активность,
а также агрессивные реакции и конт­
роль за ними. Поскольку у Neohyaenodon эта зона развита значительно
больше, чем у других представителей
подсемейства, значит, гиенодон мог
планировать охоту, преследовать до­
бычу и контролировать свою агрессив­
ность. По-видимому, Neohyaenodon
мог управлять своим агрессивным по­
ведением более эффективно, чем со­
временные собаки и волки. У него как
бы работал встроенный в мозг пре­
дохранитель. Гиенодон, как и боль­
шинство современных хищников, вел
одиночный образ жизни, а значит, его
агрессивность не снижалась, как в
стаях, за счет иерархии и регламен­
тации поведения. Почему у гиенодо-
44
на были так развиты центры контро­
ля агрессии, становится понятно пос­
ле знакомства с его челюстями и зу­
бами. Его челюсти — вершина эво­
люции, почти эталон, к которому обя­
зан стремиться всякий уважающий
себя хищник. Мало того что зубов
идеальной формы для разрезания
было много, но они еще самозатачи­
вались! Эмаль на зубах была такая,
что позволяла разгрызать прочные
кости с минимальным риском сломать
зубы. Челюстная мускулатура гиенодона очень мощная — что лишний раз
доказывает, как хорошо зверь был
приспособлен к охоте. Этот древний
хищник был совершенной машиной
убийства, поэтому для снижения
смертности при внутривидовых кон­
фликтах у гиенодона и сформировал­
ся развитый центр контроля агрессив­
ного поведения.
Мы можем подвести итоги. Гиенодон — бегающий активный суперхищ­
ник, питающийся крупными животны­
ми (не падальщик). Добычу свою он,
подобно современным псовым, хва­
тал зубастой пастью (а не как кошки,
лапами и зубами). «Гиенодон ужас­
ный» размером был несколько боль­
ше крупной собаки с очень крупной
головой и мощной шеей. Это было
относительно спокойное и не очень
подвижное животное, хорошо приспо­
собленное к бегу. С большой долей
уверенности можно полагать, что оно
охотилось из засад, активно, но крат­
ковременно преследуя добычу. Угол
обзора при горизонтальном положе­
нии головы у этого зверя был 340°, а
когда он поднимал голову и сводил
глаза, то сектор 30–40° представал
перед ним в реальном объемном
виде. Все манипуляции с добычей,
пока она не попала в пасть, гиенодон
делал передними лапами. Язык слу­
жил ему еще одной конечностью (по­
добие руки) — для перемещения пищи
во рту и исследования незнакомых
предметов (их гиенодон тоже брал в
рот). Слуховые, голосовые и обоня­
тельные возможности Neohyaenodon
были значительно беднее, чем з р и ­
тельные.
Хищник напоминал современных
собак, но был спокойнее и молчали­
вее. Тупым и скучным его назвать
никак нельзя. Гиенодону все было
интересно, он любил пробовать все
на зуб, как щенки. Если приручить
такого зверя, то из него получилось
бы преданное, доброе домашнее жи­
вотное. Вымерли они отчасти пото­
му, что были слишком специализиро­
ваны как хищники. Впрочем, описан­
ный вид гиенодона просуществовал
в неизменном виде почти 20 млн. лет,
что чрезвычайно много для крупного
хищника. На протяжении всего этого
времени биосфера была относитель­
но стабильна. Однако после расцвел
отряд Carnivora (современных хищ­
ных) и вытеснил гиенодонов и осталь­
ных креодонтов.
Кстати, исследуя слепок мозга саб­
лезубых тигров, мы приходим к п о ­
ниманию того, почему они вымерли.
У них такая характерная поверхность
неокортекса, и с обонянием проис­
ходило что-то странное! Но самое
главное — центры подавления агрес­
сии у них были развиты слабо, а еще
эти звери обладали пониженной спо­
собностью к обучению, а это уже
опасно. Так и вымереть не долго. Но
про саблезубого тигра мы расскажем
в следующий раз.