От тираннозавра можно было не бежать, а уйти шагом: первая дорожка следов взрослого хищника раскрыла его скорость

Палеонтологи детально изучили строение скелета тираннозавра (Tyrannosaurus rex). В музеях мира хранятся десятки черепов, позвонков и конечностей этого хищника. Ученые рассчитали силу сжатия его челюстей, прочность бедренных костей и примерный объем мышечной массы. Однако кости показывают только анатомическое устройство мертвого животного. Они не позволяют увидеть, как многотонный организм взаимодействовал с поверхностью земли во время движения.

На эти вопросы отвечает ихнология — раздел палеонтологии, изучающий окаменевшие следы жизнедеятельности. Отпечатки лап фиксируют динамику: реальную длину шага, ширину постановки ног и скорость передвижения.

Долгое время в исследовании тираннозавров существовал пробел. За более чем сто лет раскопок специалисты находили только единичные изолированные следы или цепочки шагов молодых особей. Полная дорожка из нескольких последовательных шагов взрослого тираннозавра оставалась неизвестной.

В научном издании Journal of Vertebrate Paleontology вышло исследование международной группы ученых под руководством Питера Фалькингема. Авторы описали непрерывную цепочку из четырех крупных трехпалых отпечатков общей длиной около семи метров. Находка сделана в верхнемеловых отложениях формации Хелл-Крик в штате Северная Дакота. Геологический возраст слоя, геометрические параметры отпечатков и расстояние между ними указывают на то, что дорожку оставил взрослый Tyrannosaurus rex.

Почему следы гигантов находят так редко

Скелеты динозавров и дорожки их следов практически никогда не встречаются в одних и тех же геологических слоях. Для их сохранения требуются принципиально разные условия. Кости сохраняются в местах глубоких захоронений, где тело быстро накрывает речной песок или озерный ил, защищая остатки от доступа кислорода и падальщиков.

Следы же формируются исключительно на открытом грунте, где животные ходили при жизни. В естественных условиях отпечаток на влажном песке или береговом иле существует недолго: его размывает дождем, уничтожает течение воды или заносит ветровым песком. Чтобы след сохранился в окаменевшем виде, требуется редкое сочетание физических и геологических факторов:

1. Грунт должен быть достаточно влажным, чтобы принять форму стопы, но достаточно плотным, чтобы стенки следа не осыпались сразу после того, как животное поднимет ногу.
2. Отпечаток должен быть быстро засыпан новым слоем осадочных пород без разрушения его контуров.
3. Слои должны оставаться неподвижными на протяжении миллионов лет, пока осадок постепенно уплотняется и превращается в твердый камень.

Кроме того, по отдельному отпечатку трудно определить, какой именно вид его оставил. Многие хищные динозавры (тероподы) и некоторые растительноядные виды имели схожее трехпалое строение задних конечностей. Разрешить эти сомнения позволяет только анализ совокупности признаков: точного возраста слоя, географического региона, биомеханики шага и размера следа.

История поисков: от одиночных находок к целым дорожкам

До сих пор свидетельства движения тираннозавров состояли из разрозненных фрагментов.

В 1994 году в штате Нью-Мексико палеонтологи Мартин Локли и Эдриан Хант описали крупный одиночный след длиной 86 сантиметров. Ему присвоили научное название Tyrannosauripus pillmorei. На отпечатке четко прослеживались три опорных пальца и отметка небольшого первого пальца, направленного назад. Поскольку в этих отложениях нет других хищников сравнимого размера, след отнесли к Tyrannosaurus rex. Однако одиночный отпечаток не дает информации о походке и скорости: для расчетов нужны как минимум три или четыре последовательных шага.

В 2008 году в штате Монтана нашли еще один изолированный след длиной 72 сантиметра. Он также принадлежал крупному тероподу, но не сохранил отпечатка заднего пальца и не имел продолжения.

Первые подтвержденные дорожки следов тираннозаврид были описаны только в 2014 году в провинции Британская Колумбия (Канада). На участке обнаружили параллельные цепочки шагов трех особей, двигавшихся в одном направлении. Длина их отпечатков составляла около 50 сантиметров. Ученые установили, что следы принадлежали более ранним и менее крупным родственникам тираннозавра — альбертозавру или горгозавру.

В 2016 году в штате Вайоминг исследователи описали дорожку Гленрок, состоящую из трех последовательных шагов. Длина отпечатков составляла 40 сантиметров. Ее оставил либо молодой тираннозавр, либо спорный некрупный вид нанотираннус (Nanotyrannus).

Таким образом, в распоряжении науки не было ни одной серии шагов взрослого тираннозавра, достигавшего веса в семь-восемь тонн и длины тела более двенадцати метров. Находка в Северной Дакоте стала первым подтвержденным случаем такого рода.

Механизм сохранения: как отпечаток превратился в камень

Следы обнаружили на территории национального пастбища Дакота-Прейри в округе Слоуп, в четырех километрах к северо-западу от города Мармарт. Отпечатки находились в слое мелкозернистого песчаника толщиной около одного метра, перемежающегося тонкими прослойками глинистых пород. Этот осадочный массив сформировался 66,5 миллиона лет назад в результате прорыва речного русла и разлива воды по пойменной равнине.

Формация Хелл-Крик в основном состоит из рыхлых, слабо сцементированных песчаников и глин. Если бы отпечатки остались в мягком грунте, они были бы разрушены современным выветриванием за несколько месяцев. Следы сохранились благодаря геохимическому процессу цементации.

Когда многотонный динозавр наступал на влажный пойменный грунт, его масса сдавливала песчинки и частицы ила на глубину в несколько десятков сантиметров. Это механическое уплотнение изменило плотность и пористость грунта внутри контура следа по сравнению с окружающим пространством.

Вскоре следы заполнил свежий речной песок. Когда поверхностные отложения оказались под землей, сквозь пористые песчаники начали течь грунтовые воды, содержащие растворенный гидрокарбонат кальция. Сдавленный осадок внутри следа и заполнивший его песок стали зоной осаждения минералов. Карбонат кальция начал кристаллизоваться вокруг частиц грунта, заполняя пустоты между песчинками.

В результате внутри мягкого песчаника сформировались плотные минерализованные тела — конкреции, точно повторившие форму углубления от ноги животного.

В современную эпоху ветровая и дождевая эрозия смыла верхние мягкие слои глины и рыхлого песка. Твердые песчаниковые конкреции, скрепленные карбонатом кальция, уцелели. Исследователи увидели следы не в виде углублений, а в виде выпуклых рельефных каменных плит, возвышающихся над поверхностью породы. Этот тип сохранности геологи называют положительным рельефом.

Трехмерное сканирование и морфология следа

Следы находились на краю крутого глинистого обрыва. Из-за поверхностного выветривания порода была покрыта трещинами, что исключало применение классических контактных методов копирования — например, заливку силиконом или гипсом. Любое механическое воздействие привело бы к разрушению краев отпечатка.

Авторы работы использовали бесконтактный оптический сканер Artec Leo. Прибор фиксирует геометрию объекта с помощью структурированной подсветки и камер высокого разрешения, создавая цифровую модель с точностью до 0,2 миллиметра. Ученые отсканировали участок площадью 14 квадратных метров, получив трехмерные полигональные сетки каждого отпечатка и всей дорожки в целом. Финальную обработку данных, расчет углов и измерение глубины проводили в среде трехмерного моделирования Blender.

Наиболее четким оказался четвертый след в цепочке, обозначенный в исследовании как R2 (второй отпечаток правой стопы).

Параметры следа R2:

• Полная длина: 96 сантиметров;
• Ширина: 80 сантиметров;
• Длина второго (внутреннего) пальца: 34 сантиметра при ширине 13 сантиметров;
• Длина третьего (центрального) пальца: 47 сантиметров при ширине 13 сантиметров;
• Длина четвертого (внешнего) пальца: 30 сантиметров при ширине 13 сантиметров;
• Угол между вторым и третьим пальцами: 35 градусов;
• Угол между третьим и четвертым пальцами: 40 градусов.

В задней части слепка зафиксировано расширение, соответствующее основанию стопы (метатарзальной подушке), а также слабое углубление от рудиментарного первого пальца, который у теропод был направлен назад и внутрь.

Почему это именно тираннозавр

При определении вида животного исследователи сопоставили морфологию следов с составом ископаемой фауны формации Хелл-Крик.

В этих слоях встречаются остатки только двух групп животных, масса которых превышала несколько тонн: хищные динозавры семейства тираннозаврид и крупные растительноядные утконосые динозавры (гадрозавры, в частности род Edmontosaurus).

Следы эдмонтозавров хорошо известны. Они также имеют три пальца, но их морфология принципиально иная. У гадрозавров ширина следа обычно превышает его длину, отпечатки пальцев широкие, массивные и закругленные на концах, без признаков крупных когтей.

След R2 из Северной Дакоты заметно длиннее своей ширины (соотношение 96 к 80 сантиметрам). Пальцы узкие, средний палец сильно вытянут вперед относительно боковых, а углы между ними соответствуют анатомическому строению стопы хищных теропод.

В верхнемеловых отложениях Северной Америки маастрихтского яруса известен только один хищник такого размера — Tyrannosaurus rex. Все остальные плотоядные динозавры этой экосистемы были значительно мельче. Дорожки мелких тираннозаврид, найденные ранее в Вайоминге и Канаде, состоят из отпечатков длиной 40-50 сантиметров. След R2 почти в два раза крупнее, что однозначно указывает на взрослую особь тираннозавра.

Анализ походки: длина шага и ширина дорожки

Четыре последовательных следа позволили измерить кинематические параметры движения.

Длина двойного шага (дистанция между последовательными касаниями грунта одной и той же ногой) составила около 4 метров. Угол шага — угол, образуемый линиями, соединяющими центр предыдущего следа, центр текущего и центр последующего — составил 164 градуса для одной пары конечностей и 167 градусов для другой.

Угол шага дает точное представление о ширине постановки ног. Если бы животное расставляло конечности широко в стороны, угол шага был бы значительно меньше 140 градусов, а сама линия движения напоминала бы выраженную зигзагообразную кривую. Значения 164-167 градусов говорят о том, что стопы ставились практически по прямой линии.

Внешняя ширина следовой дорожки составила от 0,8 до 1,0 метра. При этом отпечатки левой и правой лап перекрывали центральную продольную ось движения на 40-50%.

Такая узкая постановка стоп физиологически закономерна. При массе тела свыше семи тонн перемещение лап далеко от центральной оси приводило бы к возникновению опасных боковых крутящих моментов, действующих на суставы и позвоночник. Тираннозавр ставил опорные лапы непосредственно под центром тяжести своего тела. Это сводило к минимуму раскачивание корпуса из стороны в сторону и сокращало расход мышечной энергии при ходьбе.

Расчет скорости

Для определения скорости передвижения ученые использовали биомеханический метод, выведенный британским зоологом Робертом Александером в 1976 году. Уравнение связывает между собой три основных параметра: длину шага, высоту конечности животного и ускорение свободного падения.

В этих расчетах используют следующие величины:

• ускорение свободного падения, стандартное для Земли (9,81 м/с²);
• длину одиночного шага — расстояние между последовательными отпечатками противоположных ног (около 2 метров);
• высоту тазобедренного сустава над поверхностью земли, которую в палеонтологии рассчитывают умножением длины стопы на четыре.

Исходя из длины отпечатка в 96-100 сантиметров, высота бедра динозавра составляла около 4 метров. По формуле Александера скорость движения животного составила 1,6 метра в секунду (примерно 5,8 км/ч).

В ихнологии действует правило: отпечаток в пластичном грунте всегда крупнее анатомической стопы животного. Когда тяжелая нога погружается в песчаный осадок, грунт выдавливается наружу, а при подъеме лапы края углубления частично оползают. Если уменьшить длину стопы до 80 сантиметров с поправкой на деформацию грунта, расчетная высота сустава снизится, а вычисленная скорость возрастет до 2,0 метров в секунду (7,2 км/ч).

Полученный диапазон (1,5-2,0 м/с) соответствует спокойной, размеренной ходьбе. Это нормальная скорость пешего шага человека. Тираннозавр двигался без ускорения, в стабильном темпе, который позволял оптимизировать потребление кислорода и снизить нагрузку на суставы многотонного тела. Эти данные согласуются со скоростями, полученными при исследовании дорожек более мелких хищных динозавров.

Геологический возраст находки

Чтобы определить, в какой исторический момент были оставлены следы, исследователи провели геодезическую и стратиграфическую привязку участка.

С помощью дифференциальной спутниковой системы позиционирования (GNSS) была зафиксирована абсолютная высота дорожки — 844,96 метра над уровнем моря. Контакт между формацией Хелл-Крик и вышележащей формацией Форт-Юнион расположен в 160 метрах к востоку от места раскопок на высоте 877,94 метра. Таким образом, дорожка следов лежит точно на 33 метра ниже этой границы.

В бассейне Уиллистон граница между Хелл-Крик и Форт-Юнион совпадает с геохимическим и биологическим рубежом мел-палеогенового вымирания (моментом исчезновения динозавров), который определяется по исчезновению пыльцы меловых растений и аномалии иридия.

Возраст пород уточнили с помощью палеомагнитных данных. В 7,6 км к западу от участка находится опорный разрез Болд-Бьютт. В нем граница зон магнитной полярности (хронов 30n и 29r) зафиксирована на 26 метров ниже контакта формаций. Дорожка со следами тираннозавра залегает на 7 метров ниже этой магнитной границы.

Возраст границы магнитных хронов 30n/29r по международной геохронологической шкале составляет 66,398 миллиона лет. Скорость накопления осадочных пород в этом районе составляла в среднем 16,6 тысячи лет на один метр отложений.

Умножив 7 метров толщи пород на скорость осадконакопления, ученые вычислили возраст дорожки следов: она была оставлена приблизительно 66,5 миллиона лет назад — за 500 тысяч лет до падения Юкатанского астероида и окончания мезозойской эры.

Научный итог

Дорожка в Северной Дакоте обрывается у основания крутого холма из плотной глины. Следы, оставленные животным до и после изученного участка, скрыты под многометровой толщей вышележащих пород. Их раскопка требует масштабных земляных работ, которые в настоящее время не планируются.

Тем не менее задокументированные четыре шага дали науке недостающую информацию. Они подтвердили расчетные биомеханические модели, которые ранее строились исключительно на анатомии скелетов.

Ученые получили прямые физические доказательства:

• взрослый тираннозавр передвигался с узкой постановкой стоп, сводя к минимуму боковые смещения центра тяжести;
• обычная скорость перемещения хищника массой семь тонн составляла от 5,4 до 7,2 км/ч;
• строение его шага было полностью оптимизировано для энергоэффективного передвижения по равнинной местности.

Окаменевшие следы из Хелл-Крик перевели представления о передвижении крупнейшего хищника суши из области теоретических расчетов в категорию подтвержденных экспериментальных данных.

Источник: Journal of Vertebrate Paleontology