Динозавры могли быть умнее, чем принято считать. Окаменелый мозг игуанодонта изучили под микроскопом. Мозг динозавров Мозг динозавра

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, как известно, слывут тупоголовыми колоссами доисторических времен. Но так ли это было на самом деле, а если так, то каким же образом им удалось пережить несколько геологических эпох?
Тупость динозавров давно стала притчей во языцех. Согласно одним предположениям, у них было даже два мозга, а по другим, они были существами на редкость тупоголовыми, отчего и вымерли. Однако наличие крупного мозга далеко не всегда играет определяющую роль в успешной биологической эволюции. Те же исследования показывают, что динозавры различались как по объёму мозга, так и по уровню интеллекта. Некоторые из них были менее сообразительны, другие же не уступали в уме многим современным млекопитающим.

У стегозавра мозг был размером с орех и весил около 75 г, а некоторые нервные клетки, сообщавшиеся с дальними частями тела, превышали в длину 3 м. Нервная регуляция у него происходила скорее всего с такой же скоростью, как у всякого холоднокровного, хотя подобное предположение остаётся спорным.

Нервная система.

Динозавры относятся к позвоночным — значит, и нервная система у них была как у всех позвоночных. А центры нервной деятельности у всякого позвоночного расположены в головном мозге, связанным со спинным, который представляет собой длинную стержневидную структуру из нервных тканей, проходящих через внутреннюю полость позвоночного столба. От спинного мозга нервные волокна разветвляются по всему телу, поглощая информацию от различных органов чувств и посылая следом за тем соответствующие сигналы, стимулирующие мышечную деятельность. У всех позвоночных ключевую роль в стимулировании и координации движений тела играет головной мозг. Впрочем, некоторые, так называемые непроизвольные, движения вызываются без непосредственного участия головного мозга. К примеру, стоит нам наступить на какой-нибудь острый предмет, как наша нога тут же невольно отдёрнется по автоматическому ответному сигналу из спинного мозга. От подобных реакций нередко зависит жизнь, но чем крупнее животное, тем медленнее проходят нервные импульсы по телу. К примеру, у современных пресмыкающихся такие сигналы проходят по нервным волокнам со скоростью больше 40 м/сек и вызывают практически мгновенную ответную реакцию. Однако у крупных динозавров рефлекторные импульсы проходили по нервным волокнам несколько метров, вследствие чего ответная реакция наступала с некоторым опозданием. В результате такого отставания во времени, вероятно, и создаётся впечатление, будто у тех же стегозавров и некоторых других динозавров имелся так называемый «второй мозг». В действительности же то был не собственно мозг, а крупный центр регуляции автоматических реакций.
На этом рисунке схематично представлены головной мозг стегозавра и соседние с мозгом структуры. Слуховое отверстие расположено сзади, а округлости сверху — это часть внутреннего уха и двигательного центра.

Относительный объём мозга.

В черепах динозавров нередко обнаруживаются полости, занимаемые головным мозгом, что позволяет рассчитать его объём и получить соответствующее компьютерное изображение или же сперва заполнить полость жидкостью, а после определить его объём. Таким образом, у одних динозавров головной мозг был размером с виноградину, а у других — с грейпфрут. При проведении подобных измерений необходимо учитывать и объём тела динозавра: чем крупнее животное, тем больше треубется нервной ткани, чтобы его контролировать. На примере современных животных учёные установили точное соотношение между весом головного мозга и общим весом тела животного. Применительно к человеку подобное соотношение выглядит так — 1:40, а к средних размеров собаке — 1:125. Что же касается стегозавра, оно составляет 1:50000, из чего явствует, что эти животные и впрямь не отличались большим умом. С другой стороны, у маленьких птиц подобное соотношение намного выше — 1:12, из чего следует, что они должны быть умнее человека. Впрочем, для измерения интеллектуального уровня того или иного животного больше подходит так называемый «коэффициент энцифализации», дающий более или менее ясное представление о степени умственного развития. Так, из нижеприведённой таблицы явствует, что среди динозавров этот показатель самый низкий у зауропод, поскольку он составляет 0,2, в то время как у мелких теропод он равен 5,5. Что до млекопитающих, то здесь лидирует человек — с показателем 7,4. Как бы то ни было, это мало что даёт для полного представления об умственных способностях динозавров, поскольку учёные не имеют возможности сравнить непосредственно всех представителей различных групп доисторических животных.
Толстоголовый динозавр, или пахицефалозавр, судя по размерам головы, должен был обладать крупным мозгом, но это только на первый взгляд, поскольку большую часть черепной коробки занимали толстые кости.

Инстинкты и навыки.

Принимая в расчёт образ жизни тех же растительноядных динозавров, не удивительно, что в показательной таблице эволюционного развития они занимают самое последнее место. В отличие от хищников, у них не было надобности выслеживать и подсиживать добычу — вся их работа заключалась в том, чтобы насыщаться и переваривать пищу. С другой стороны, такие мелкие хищники, как дромицеомимы сумели выжить за счёт постепенного обретения охотничьих навыков. Так что интеллект для них был залогом самой жизни.

На этой таблице представлены общие показатели эволюционного развития динозавров и крокодилов. «Коэффициент энцифализации» выражает отношение массы мозга конкретного вида к средней массе мозга систематической группы. Применительно к динозаврам расчёт предполагаемой массы мозга производится на основании результатов изучения современных пресмыкающихся. Таким образом, «коэффициент энцифализации» даёт только общее представление об объёме мозга и, соответственно, уровне умственного развития животного. Если этот коэффициент больше 1, значит, масса мозга у животного в среднем выше по данному классу, а если меньше 1, то наоборот.

Американский палеонтолог Освальд Марш более 100 лет назад впервые смог исследовать полный окаменелый скелет гигантского динозавра и констатировал с изумлением: » Очень маленькие размеры черепа и мозговых полостей говорят о том, что данный динозавр был очень глупым и медленным животным».

Такое мнение настолько укоренилось в умах простых обывателей, что даже в обиходе слово «динозавр» стало означать тупость и древность. Но на самом деле в отношении некоторых видов динозавров такая оценка не совсем справедлива: достаточно вспомнить, что некоторые хищные ящеры были очень ловкими и проворными, а утконосые динозавры умели договариваться друг с другом.

Хищный динозавр заурорнитоид (Saurornithoides) имел довольно большой мозг, почти такой же по размеру, как у современных птиц или мклких млекопитающих.

Выемки мозговых полостей черепа могут свидетельствовать о том, что участки мозга, которые отвечают за обоняние, зрение или сложные виды движений конечностей, такие как баланс головы и хвоста, хватательные и осязательные функции достигали больших размеров и были хорошо выражены.

Утконосые динозавры, судя по форме мозговых полостей черепов, обладали хорошим слухом, обанянием и зрением. Именно эти чувства особенно интенсивно использовались разтительноядными динозаврами, которые не имели защитного панциря, чтобы успеть своевременно учуять хищника.

У колючих и панцирных динозавров был самый маленький мозг по сравнению с объёмами их тел. Например, Стегозавр вырастал больше современного слона на целую тонну, а его мозг был размером всего с грецкий орех! Неужели этого объёма было достаточно, чтобы управлять такой массой? Как показали дальнейшие исследования, у стегозавра в бедренной области позвоночника находился еще один так называемый «мозговой центр» — об этом свидетельствует наличие крупной полости в костях.

Может быть, это утолщение спинного мозга функционировало как второй мозг, как говорят отдельные исследователи? Конечно же, нет. Этот обычный центр управлял нервными путями задней части хвоста и тела. Даже в современном животном мире большинство позвоночных животных с длинными хвостами имеют спинной мозг, который заметно утолщяется в этом месте. А у стегозавров хвост имел просто огромные размеры, он был длиннее его собственного тела, но выполнял еще одну жизненно важную функцию — служил оружием защиты.

Чтобы нервная система могла точно без промедлений управлять всеми мускулами хвоста при целенапрвленном и точном ударе, у основания хвоста нужна была достаточно развитая нервная система.

Однако настоящим мозгом можно считать лишь тот, который располагается в черепе. И видимо, динозаврам, которые безмятежно паслись под защитой своих грозных шипов, такого мозга было вполне достаточно, ведь с такими маленькими объёмами мозга колючие динозавры смогли выжить на протяжении десятков миллионов лет.

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.

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.