Что ел мегалодон? Всё, что хотел. И хищников тоже

Большезубые акулы получили свое название из-за своих огромных зубов, каждый из которых был размером с кисть человеческой руки, а то и больше. В эту группу входит мегалодон, самая большая акула из когда-либо живших на земле, и еще несколько родственных видов.

Вообще некоторые виды акул существовали на протяжении более 400 миллионов лет задолго до появления динозавров. Однако акулы-монстры, обладавшие гигантскими зубами, появились в ходе эволюции уже после того, как вымерли динозавры, и продолжали хозяйничать в древних морях и океанах около трех миллионов лет назад.

"Мы привыкли считать, что самые крупные виды животных, к примеру, голубые киты, китовые акулы, даже слоны и диплодоки, – это всегда природные фильтраторы и одновремèнно травоядные животные, и хищников среди них нет, — поясняет доктор философии Эмма Каст (Emma Kast), выпускница факультета наук о земле 2019 года; Эмма является ведущим автором научной статьи, опубликованной в свежем выпуске журнала ScienceAdvances. – Но, в действительности, мегалодон и другие большезубые акулы были гигантскими хищниками, которые поедали других хищников. Правда, мегалодоны вымерли всего несколько миллионов лет назад".

Консультант Эммы Каст профессор геологических и геофизических наук Дэнни Сигмэн (Danny Sigman) из Принстонского университета добавил: "Если бы мегалодон плавал сейчас в океанах, то взаимодействие человека с морской средой изменилось бы радикально".

Группа ученых из Принстонского университета нашла убедительные доказательства того, что мегалодон и некоторые из его предков находились на самой высокой ступени доисторической пищевой цепи, которую ученые называют наивысшим трофическим уровнем. Действительно, их статус, полагают ученые, в весьма разветвленной пищевой цепочке был настолько высок, что они, судя по всему, поедали других хищников – и больших и малых.

"Пищевые сети океанов по своей длине, как правило, превосходят длину традиционных пищевых цепочек – “растения – олени – волки” – которые свойственны наземным животным, поскольку они начинаются с очень маленьких организмов. Чтобы достичь наивысшего трофического уровня, который занимала большезубая акула, – а эта сверх-хищница царила на вершине древней морской пищевой цепи, – на вершину современной морской пищевой сети нужно было бы поставить сразу несколько хищников", — пояснила Эмма Каст из Кембриджского университета; заметим, что первая версия вышеупомянутой статьи из Science Advances была написана Эммой еще в Принстонском университете и явилась одной из глав ее диссертации.

По самым скромным оценкам, длина мегалодона составляла около 15 метров (50 футов), в то время как современные большие белые акулы обычно достигают где-то пяти метров (15 футов). Чтобы проанализировать морскую пищевую сеть, существовавшую в доисторические времена, Эмма Каст и Дэнни Сигмэн вместе со своими коллегами применили для анализа акульих зубов новый метод измерения изотопов азота. Как известно (экологи об этом давно знают), чем больше в организме содержится азота-15, тем выше его положение в пищевой цепи, но ученым никогда ранее не удавалось провести измерение небольших количеств азота, которые сохранились в эмалевом слое зубов этих вымерших хищниц.

"У нас имеется некоторое количество образцов акульих зубов, которые относятся к разным эпохам. И нам удалось проследить зависимость их трофического уровня от размера тела", — рассказывает соавтор вышеупомянутой статьи в Science Advances Зысюань (Кристалл) Рао [Zixuan (Crystal) Rao], аспирант из научно-исследовательской группы Дэнни Сигмэна.

Одним из способов убрать еще один или два дополнительных трофических уровня является каннибализм, и, судя по некоторым данным, именно это имело место в случае большезубых акул и прочих морских хищников, обитавших в доисторические эпохи.

Азотная машина времени

Для того, чтобы воссоздать пищевые сети вымерших существ, нам поможет, пожалуй, только машина времени – других способов нет; ведь в распоряжении ученых имеется лишь очень небольшое количество костей со следами от зубов, а именно это говорит о том, что их "сжевала огромная акула".

К счастью, Дэнни Сигмэн и его исследовательская команда потратили несколько десятилетий на разработку других методов, которые основаны на следующем принципе: оказалось, что по процентному содержанию изотопов азота в клетках живого существа можно определить то место в пищевой цепи, которое этот организм занимает (на вершине, в середине или в сáмом низу).

"Моя исследовательская группа занимается поиском чистых по химическому составу и хорошо сохранившихся органических веществ, включая азот, в организмах из далеких геологических эпох", — поясняет Сигмэн.

Дело в том, что некоторые растения, водоросли и прочие биологические организмы, которые стоят на нижней ступеньке пищевой сети, научились накапливать в своих тканях азот, поглощаемый из воздуха или воды. Затем, их поедают другие организмы, усваивая азот; при этом, что особенно важно, они по большому счету выделяют (иногда вместе с мочой) большее количество более легкого изотопа азота (N-14), чем его более тяжелого собрата (N-15).

Другими словами, происходит следующее: по мере того, как вы поднимаетесь по пищевой цепочке, изотоп N-15, в отличие от N-14, начинает накапливаться всё в бóльших количествах.

В научных исследованиях данный подход уже применялся для изучения живых организмов, обитавших сравнительно недавно — где-то 10-15 тысяч лет назад. Однако вплоть до недавнего времени ученым не удавалось обнаружить достаточное количество азота, необходимое для проведения измерений, в еще более древних останках животных.

Почему же так происходило? Дело в том, что мягкие ткани, например мышцы и кожные покровы, практически никогда не сохраняются. А с акулами ситуация еще сложнее – у них нет костей, ведь их скелеты состоят из хрящей.

Но, оказывается, акульи зубы неплохо сохраняются, превращаясь в окаменелость. В отличие от костей, сохранность зубов объясняется тем, что они покрыты эмалью, т.е. твердым материалом, практически невосприимчивым к большинству видов гнилостных бактерий.

"Зубы изначально обладают устойчивостью к химическим и физическим воздействиям. Поэтому они, находясь в очень активной в химическом отношении среде ротовой полости, могут не портиться и одновременно способны измельчать пищу, которая может состоять из твердых частей", — поясняет Сигмэн. Кроме того, у акулы отнюдь не тридцать ослепительно белых зубов, как у человека, а больше. Дело в том, что зубы у акул растут постоянно: вместо старых, выпавших зубов, вырастают новые. Так, например, современная песчаная акула теряет в среднем по одному зубу каждый день, а живет она несколько десятилетий. Это значит, что у каждой акулы за всю жизнь появляются тысячи новых зубов.

"Акульи зубы являются одним из самых распространенных видов ископаемых окаменелостей, которые находят в геологических слоях, — говорит Сигмэн. – Внутри зуба можно обнаружить очень небольшое количество органического вещества, из которой формировалась зубная эмаль, — можно сказать, что эта органика теперь наглухо загерметизирована эмалью".

Поскольку акульи зубы находят в больших количествах и сохранность их хорошая, благодаря следам азота, который содержится в зубной эмали, можно определить статус акулы в пищевой сети, вне зависимости от того, когда выпал этот зуб из пасти акулы – миллионы лет назад или только вчера.

Даже самый большой зуб покрыт тонкой эмалевой оболочкой, в которой количество азота слишком микроскопично и незначительно. Однако коллектив ученых под руководством Сигмэна не прекращал разрабатывать все более и более совершенные методы извлечения и измерения соотношений изотопов азота. С помощью стоматологических боров, специальных химикатов и даже микроорганизмов, которые способны превращать азот, находящийся внутри эмали, в закись азота, ученые теперь могут точно измерить соотношение изотопов N15 и N14 в доисторических зубах.

"У нас тут все немного напоминает пивоварню, — заметил Дэнни Сигмэн. – Мы выращиваем микробов и скармливаем им наши образцы. А они производят для нас закись азота, и мы её анализируем".

Во время проведения анализа используется специально для этого созданная автоматизированная система получения закиси азота, которая извлекает, очищает, концентрирует и направляет извлеченную закись азота в специализированный масс-спектрометр как раз для того, чтобы определять соотношение стабильных изотопов.

"На протяжении нескольких десятилетий я пытался разработать метод, который позволял бы выявлять микроскопические количества азота, — поясняет Сигмэн. Группа Сигмэна начинала с микроокаменелостей в геологических отложениях, затем перешла к изучению других типов окаменелых органических остатков, таких как кораллы, слуховые косточки рыб и акульи зубы. – После этого мы и наши коллеги стали обкатывать этот метод на зубах млекопитающих и динозавров".

Глубокое погружение в литературу во время самоизоляции

С самого начала пандемии, пока ее друзья пекли домашний хлеб и глотали Нетфликс, Эмма Каст стала внимательно изучать литературу по экологии. Она пыталась отыскать методику, при помощи которой проводят измерения изотопов азота, накопившегося в тканях современных морских животных.

"Здòрово, что Эмма решила покопаться в научной литературе, переработать всю эту информацию, которая публиковалась на протяжении нескольких десятилетий, а затем применить ее к анализу древних окаменелостей", — заметил соавтор статьи Майкл (Мик) Гриффитс (Michael (Mick) Griffiths), палеоклиматолог и геохимик из Университета имени Уильяма Паттерсона.

Пока Эмма Каст сидела дома на карантине, она прошлась по списку, насчитывавшему более чем 20 тысяч особей морских млекопитающих и более чем 5 тысяч акул. Но ей хотелось большего. "Наш подход поможет разобраться в том, как устроены древние пищевые сети; поэтому сейчас нам нужны образцы, — сказала Каст. – И для этого мне бы хотелось с помощью какого-нибудь музея или хранилища, обладающего коллекциями древних окаменелостей, получить общее представление об экосистеме. Хотелось бы получить доступ к коллекции различных видов окаменелостей, принадлежащих к одной и той же эпохе и найденных в одной и той же местности, начиная от каких-нибудь фораминифер, которые стоят у сáмого основания пищевой сети, и вплоть до отолитов (слуховых косточек), разных видов рыб, зубов морских млекопитающих и акульих зубов – на всех этих образцах мы хотели бы испробовать анализ изотопов азота, а затем реконструировать всю историю древней экосистемы".

Но ученые не только вели поиск научной литературы. В их базе данных имеется также коллекция образцов акульих зубов. Соавтор статьи Кенсю Симада (KenshuShimada) из Университета Де Поля связывался с аквариумами и музеями, в то время как другие соавторы – Мартин Беккер (Martin Becker) из Университета имени Уильяма Паттерсона и Гарри Мэйш (Harry Maisch) из Университета побережья залива Флориды – собирали образцы огромных зубов на дне океана.

"Это, действительно, опасно. Гарри Мэйш — мастер по дайвингу, а здесь требуется большой опыт, — поясняет Гриффитс. – Нет, можно, конечно, найти какие-то маленькие акульи зубы на пляже, но для того чтобы получить образцы наилучшей сохранности, приходится спускаться на океаническое дно. Мартину Беккеру и Гарри Мэйшу удалось собрать зубы отовсюду".

Гриффитс также добавил: "Были предприняты совместные усилия, направленные на то, чтобы получить образцы и собрать их все воедино. В целом, сотрудничество с Принстонским и другими региональными университетами – дело поистине увлекательное, поскольку там везде замечательные студенты. С моими коллегами было очень приятно работать".

Аллия Ахтар (Alliya Akhtar) в 2021 году получила степень доктора философии в Принстонском университете и в настоящее время работает докторантом в лаборатории Гриффитса.

"Работа, которую я проделала в ходе написания моей диссертации (изучение изотопного состава морской воды), поставила передо мной столько же вопросов, сколько и дала ответов. И я была невероятно благодарна за возможность продолжить работу над некоторыми из поставленных задач с коллегой и наставником, которого я уважаю, — написала Ахтар в электронном письме. – Я с большим энтузиазмом смотрю на ту работу, которую мне еще только предстоит сделать, и те загадки, которые только предстоит разгадать!"