То, что существа, внешне похожие на драконов, ранее жили на Земле, ни у кого не вызывает сомнения. Они объединены под общим названием «динозавры», хотя различия внутри динозавров очень велики.

Современными биологами динозавры делятся на два отряда по устройству тазовых костей: птицетазовые и ящеротазовые (зауроподы). Делятся они на травоядных и хищников, на летающих, бегающих и ползающих. Всего их сейчас насчитывается более полутора тысяч видов. Могли ли среди такого разнообразия затеряться и те, кого было бы уместно назвать огнедышащими драконами?

Попробуем ответить на этот вопрос.

Если подозревать, что некоторые динозавры выдыхали огонь, то изначально неплохо бы разделить это подозрение на два: 1) они выдыхали нечто горючее и 2) существовала вероятность воспламенения этого горючего. Разберём их по порядку.

Выдох динозавра

Динозавры делились на хищных и травоядных. Чем питались последние динозавры,не удаётсяустановитьточно.Остатки содержимого их желудков пока найти не удалось. Поэтому исследователи делают выводы по двум обстоятельствам: что тогда росло вокруг них и что в принципе могли жевать их челюсти.Из растительности особо привлекательными для динозавров могли быть, по мнению учёных, папоротники, араукарии и хвойники.

Но форма челюстей и зубов совершенно точно говорит о том, что пережёвывать эту пищу динозавры не могли, они её проглатывали непрожёванной. Для усвоения пищи динозавры иногда проглатывали камни, точно так же, как современные куры иногда заглатывают камешки, чтобы пища перетиралась уже в желудке. Но основной процесс переваривания обеспечивали микроорганизмы, жившие в их желудках и кишечниках.

Эти микроорганизмы не только делали еду усваиваемой, но и вырабатывали метан. Метановый цикл пищеварения получил распространение вследствие изменения климата.

Динозавры появились, когда уровень кислорода достиг минимума за всю историю земного шара,примерно десяти процентов. Реакция живых организмов не ограничилась изменениями в морфологии тела, появлением двуногих животных с улучшенными возможностями.

Изменился цикл питания. Нельзя было рассчитывать на то, что окисление потребляемой пищи будет идти благодаря кислороду. Одновременно повысилась температура воздуха, создавая благоприятные условия для деятельности микроорганизмов.

В триасовом периоде (250–200 млн лет назад) в начале своей эволюции динозавры весили в среднем чуть больше тонны. В юрском периоде (200–145 млн лет назад), когда динозавры получили максимальное распространение, их средний вес за 55 млн лет увеличивался сначала до 2,5 тонн, а затем – до 15 тонн. А у отдельных видов он был ещё большим, у диплодока, скажем, около 20 тонн. В меловом периоде (145–60 млн лет назад) по мере ещё более быстрого увеличения доли кислорода в воздухе средний вес динозавра опять уменьшился до 5 тонн.

Метан известен как парниковый газ, поглощающий солнечную радиацию и вызывающий повышение температуры. Этот газ считается основным загрязнителем атмосферы не только в древние времена, но и сейчас. Эмиссия метана сельскохозяйственными животными и, прежде всего, крупным рогатым скотом, в настоящее время вносит значительную часть содержащегося в воздухе метана.

Характерно, что у всех динозавров носовые отверстия расположены на высшей точке головы. На этом основании долгое время считалось, что травоядные динозавры питались водорослями, а их ноздри выступали из воды, как у современных крокодилов. И на сушу динозавры выходили только для того, чтобы отложить яйца. Но сейчас уже точно доказано, что эти динозавры пищу добывали на суше.

Доказали, но как-то позабыли объяснить, почему же ноздри у них сверху. А единственное оставшееся объяснение тому – безопасность выдоха склонного к воспламенению газа.

Группа учёных из трех британских университетов (Ливерпульского, Лондонского и университета города Глазго) опубликовала результаты исследований в журнале Current Biology относительно такого же загрязнения атмосферы, которым в древности Земля была обязана динозаврам[1].

Они сравнили тогдашнее загрязнение метаном с нынешним и получилось, что если сейчас коровы ежегодно выбрасывают в атмосферу (по разным оценкам) от 50 до 100 млн тонн метана, то динозавры могли выбрасывать не менее 520 млн тонн. Причём речь идет только о ящеротазовых динозаврах, зауроподах.

А в настоящее время к этой цифре приближаются выбросы метана от всех источников, включая болота и промышленность.

В 2008 году ФАО, организация в структуре ООН, выпустила отчёт объёмом в 400 страниц, согласно которому полтора миллиарда коров ответственны за выделение 18% всех парниковых газов в мире, что больше загрязнения воздуха всеми видами транспорта.

На самом деле, если у коров выделяется почти чистый метан, то у динозавров выделения скорее были похожи на биогаз, в котором метан составлял около половины объёма, а остальная часть приходилась на углекислый и угарный газы, и даже 2–3% сероводорода, также горючего.

Взрослому диплодоку весом около 20 тонн для поддержания жизни необходимо было ежесуточно съедать до 300 кг листвы. Если ориентироваться на производительность современных биогазовых установок, то из дневной порции диплодока получалось примерно 70 кубометров биогаза, в котором содержалось 20–30 кубометров метана. Держать такой объём внутри себя диплодок, конечно, не мог.

Итак, у динозавров было то, что могло воспламеняться. Но как этот метан можно было поджечь? Есть два варианта воспламенения метана, который выдыхали динозавры (бронтозавр, по крайней мере): внешний и внутренний. Либо поджиг метана определяла внешняя среда, либо внутри самого динозавра имелась возможность поджечь выдыхаемый метан.

Воспламенение извне

Согласно результатам многих исследований, температура воздуха в мезозойскую эру была примерно на 10 градусов выше, чем в настоящее время. Известно, что чем выше температура, тем выше ионизация воздуха.

В частности, питание тропических растений во многом идет за счёт азота, содержащегося в ионизированном (предгрозовом) воздухе тропиков. Динозавры, появившиеся в период самой низкой доли кислорода в воздухе, эволюционировали параллельно с увеличением этой доли.

Чем выше доля кислорода в атмосфере, тем выше ионизация и вероятность электрических разрядов, которые появляются независимо от живых существ. Нам всем известны молнии, громкие грозовые разряды. Но существенно чаще в более ионизированной атмосфере возникают тихие разряды.

Наиболее известен и исследован так называемый коронный разряд.Он замечен на верхушках деревьев, а если говорить о современности, то на столбах и мачтах.

Длинная шея диплодока или бронтозавра (апатозавра) обеспечивала повышение вероятности появления коронного разряда на уровне их выдоха, если он высоко поднимал голову. Тихий разряд сопровождается негромким треском, а не громом. Поэтому для наблюдателя воспламенение метанового (биогазового) облака выглядело бы, как выдыхание огня.

Тихий атмосферный разряд появляется при критической напряженности электрического поля в атмосфере. Для современного атмосферного давления и температуры 20°С она должна быть довольно высокой – 15 киловольт на сантиметр.

Но во времена динозавров и температура, и давление были другими. Тем более, что разряды эти идут на очень высокой частоте, в среднем 10 килогерц, но частота, увеличивающая вероятность пробоя, доходит и до 30 мегагерц. При такой частоте фактически идёт разогрев поверхностей как в обычной микроволновке.

Воспламенение изнутри

Догадаться о том, что внутри животных идут электрические процессы, особой науки и не было нужно. Первый, кто получил удар током от электрического ската, рассказал об этом всем.

В науку это практическое знание вошло в конце XVIII века. В 1786 году профессор Болонского университета Луиджи Гальвани(1737–1798) показал, что если к лапке обезглавленной лягушки поднести провод и покрутить электростатическую машину, то лапка дернется. Этот эффект был известен задолго до него, первые подобные эксперименты проводились и веком ранее.

Считается, что Гальвани о них не знал, и, как часто бывает в истории, это незнание принесло пользу науке. В отличие от предыдущих исследователей, он пришёл к выводу, что «электричество находится внутри животного». И эта догадка оказалась гениальной.

Зачем же нужно было ради науки предварительно лишать лягушку головы? Для того, чтобы исключить влияние мозговой деятельности, чтобы изучаемое явление касалось исключительно ткани, а не организма в целом.

Но что было причиной интереса именно к ткани, а не к организму? В те времена электричество считалось флюидом, жидкостью не только без цвета и запаха, но и без веса. Л. Гальвани был убеждён, что мозг производит некоторую электрическую жидкость, которая распределяется по телу и доставляется к мускулам через нервную систему. Поэтому нужно было уловить наличие этого флюида в тканях, безотносительно мозга. Кстати, про флюид все уже забыли, но электрогидравлическая аналогия осталась до сих пор.

«Животное» электричество противопоставлялось тогда электричеству «металлическому», тому, что получается от набора пар металлов и известно современному человеку не только по аккумуляторам.

Великий физик Алессандро Вольта(1745–1827) отрицал саму идею животного электричества, но как настоящий учёный хотел убедиться, что отрицает он правильно. А потому 8 лет продолжал анатомировать угрей и скатов, исследовать«животное электричество».

Более того, именно это изучение устройства электрических органов рыб и позволило ему создать первый прибор, который, по иронии судьбы, был назван именем его противника – гальванической батареей.

За 14 лет до опытов Гальвани сэр Джон Уолш, член Королевского общества и британского парламента, специально приехал к французским рыбакам, которые имели дело с электрическими скатами.

Он задавал им лишь один вопрос, перед которым просил прикоснуться к контактам электростатической машины. Вопрос был по-британски лаконичным: «Похоже?». Ответы были единодушными: «Да».

Другой бы на этом и успокоился, но Джону Уолшу нужно было общественное признание, и он обратился к сэру Генри Кавендишу (1731–1810), великому физику. Тот создал физическую модель, имитирующую электрическую систему ската. И началась новая наука, электрофизиология.

Великие электрофизиологи

На пути к ответу на вопрос, могли ли жить на Земле огнедышащие драконы, нам встретится много замечательных людей. Присмотримся хотя бы к троим из них.

Первый – Карло Маттеучи (1811–1868), выдающийся итальянский физиолог. Он показал, что при разрезании мышцы всегда идет электрический ток, который течёт от её неповрежденной поверхности к поперечному разрезу[2].

Исследования К. Маттеучи продолжил французский учёный Эмиль Генрих Дюбуа-Реймон (1818–1896), который впервые доказал, что при возбуждении (стимулировании) мышцы электрическим разрядом происходит ионизация тканей и появляется разность потенциалов между возбуждёнными и невозбуждёнными клетками (тканями) мышцы.

Появилась ионная теория возбуждения, которая некоторое время существовала на качественном уровне. Общепризнанным стало так называемое правило Дюбуа-Реймона: «раздражающее действие тока возможно только в момент замыкания и размыкания цепи».

И, наконец, выдающийся украинский физиолог Василий Юрьевич Чаговец(1873–1941). Он в 1896 году первым количественно доказал зависимость электрического потенциала мышцы от интенсивности появления ионизированных химических соединений. Загадка животного электричества была им раскрыта.

В.Ю. Чаговец предложил рассматривать электрические потенциалы как диффузионные, связанные с неравномерным распределением ионов внутри живой ткани. Разработанная им диффузионная теория происхождения электрических потенциалов основывалась на исходной идее: если мышца возбуждена, то обмен веществ в её возбужденном участке резко возрастает. А, следовательно, возрастает и электрическая активность.

Спустя 10 лет его теория была дополнена открытием электрических и химических процессов на стенках клеток. Было установлено, что через стенки клеток легко проходят катионы калия и хуже – ионы натрия и ещё хуже – анионы калия и его соединений.

Происходит ионизация стенки клетки, на одной из сторон которой накапливается положительный, а на другой – отрицательный электрический потенциал. Из стенки клетки (мембраны) формируется микроконденсатор. А из стенок многих клеток может получиться мощный конденсатор.

Электрохимия мышц

Но электрофизиология не ограничивается эффектом конденсатора. Чтобы пояснить ещё один эффект, начнём с простой электрохимии.

Электрические потенциалы в растворах делятся на два типа: электронный и ионный. В первом потенциал появляется от обмена свободными электронами, которые отдаются одними металлами и захватываются другими. Если гальванический элемент состоит из пары медь-цинк, то медь, растворённая в кислоте, отдаёт электроны, а цинк их принимает.

Потенциал ионного типа возникает, по результатам исследований трёх упомянутых великих электрофизиологов, вследствие трёх процессов: диффузионного, мембранного и межфазового.

Каждый раз какой-то из этих процессов является определяющим для появления электрического потенциала. Пример диффузионного процесса: берём один и тот же раствор металла (электролит, например, соляную кислоту), делим его на две части с разной концентрацией. Электрический потенциал между ними появляется из-за того, что скорость диффузии положительно и отрицательно заряженных ионов (катионов и анионов) идёт по-разному при различных концентрациях электролита. Слабый раствор будет иметь отрицательный потенциал, более концентрированный – положительный.

Примерно то же явление происходит в мышцах, когда возбуждённая часть мышцы относительно невозбуждённой имеет отрицательный потенциал.

Давно известно, что при изменении положения человеческого тела возникают статические заряды. В человеческом теле примерно 10 трлн клеток двухсот различных типов. На стенках каждой клетки может появиться потенциал от -70 до -80 милливольт.

В мышцах млекопитающих (естественно, и человека тоже) электрические потенциалы отдельных клеток гасят друг друга. В электрических органах рыб они складываются, позволяя из отдельных электроцитов с напряжением в десятки милливольт составить батарею, дающую сотни вольт, как у южноамериканского электрического угря.

У этого вида пресноводных рыб органы, вырабатывающие электрический разряд, состоят из 70 линий клеток, увеличивающих разряд. В каждой линии 6 тысяч таких клеток. В результате суммирования электрического потенциала по этим линиям итоговое напряжение возрастает до 500 вольт.

И это – не самое выдающееся творение природы. У морских рыб число линий находится в диапазоне от 500 до 1000, а число электроцитов в линии составляет примерно тысячу. Такая система клеток даёт в пике импульс мощностью в 1 киловатт.

Такое описание электрических процессов, происходящих в организмах экзотических для нас рыб, можно было бы и продолжить, рассказать, например, о форме таких киловольтных импульсов или о той роли, которую играют в их формировании нервные клетки. Но это отвлекло бы нас от ответа на вопрос: «Так были ли всё-таки возможны в далекой древности огнедышащие драконы?».

Поэтому только упомянем, что для получения искры в двигателе внутреннего сгорания нужно добиться, чтобы напряжение на контактах автомобильной свечи было примерно 10 киловольт. Но если угорь весом 4 кг способен сформировать импульс в 500 вольт, то что можно было ожидать от динозавра весом в три с половиной тысяч раз больше?

В 1907 году немецкий профессор Ганс Пипер (1877-1915) придумал электромиографию, способ записи биоэлектрических потенциалов, возникающих в мышцах животных и человека при возбуждении мышечных волокон. Исследование электрических явлений в сердце сейчас активно применяется в кардиологии.

Итак, уже в начале ХХ века стало общепризнанным, что электрические процессы идут в любом живом организме, а не только у электрических скатов или саламандр.

Но достаточно ли было электрического потенциала мышц динозавра для того, чтобы собрать электрический потенциал в несколько десятков киловольт? Для этого нужно понять, как менялись размеры динозавров во времени и выделить тот период, когда такая возможность была максимальной. Ведь чем больше мышц, тем сильнее может быть сформирован разряд.

Так что динозавры в середине и конце юрского периода вполне могли формировать в своих мышцах электрические потенциалы, достаточные для получения воспламеняющего разряда.

Кожа да кости

Помимо электрических потенциалов, формируемых в мышцах, есть ещё процессы появления электрических потенциалов на коже и в костях. Обратимся вновь к динозаврам, к аналогичным электрическим явлениям, какие могли протекать на их коже и в их костях.

Сначала о коже. Редкие находки окаменевшей кожи динозавров позволили установить, что она очень напоминает куриную. Насчитывается 6 разновидностей кожи динозавров, есть даже кожа, представляющая собой нечто среднее между змеиной кожей и рыбьей чешуей [3].

У пситакозавра, например, известного как «ящер-попугай»,была толстая кожа, покрытая ороговевшими бугорками, а местами и перьями, средняя между такой, что встречается у акул, дельфинов и бегемотов [4]. Хотя он жил уже в меловом периоде, когда «огнедышащие драконы», были уже, по-видимому, редкостью.

То, что электрический потенциал кожи изменяется при надавливании на её отдельные участки, известно давно. Этот эффект используется при электромассаже и проверке на детекторе лжи. К тому же, у динозавров было очень разнообразное потовыделение, которое, как установлено исследователями, ещё и менялось со временем, а возможно, и с ситуацией. Некоторые из них вполне могли иметь свойства электролитов.

Физики давно знакомы с явлением пьезоэффекта, когда давление на некоторый объект (чаще всего, это кристалл), его изгиб или растяжение вызывают появление электрического потенциала. У биологов это явление тоже отмечено, но пока не входит в магистральную линию исследований.

Пъезоэффект обратим. То есть электрический заряд, внесённый в кристалл, искривляет его поверхность. Более того, он обратим многократно: вызванное электрическим зарядом искривление перераспределяет заряд и по той поверхности, к которой подведён заряд, и по противоположной поверхности кристалла, которая также искривляется.

Существует множество приборов, где используются твердые пьезокристаллы. Скажем, эхолоты, в которых кристаллы под воздействием электрических разрядов генерируют ультразвук и улавливают отраженный сигнал, например, от дна или косяка рыб. Пьезоэффекты существуют в любом живом организме на нескольких уровнях: кожи, мышц и костей.

Признано, что пьезоэлектрические свойства костной ткани не являются специфическими свойствами рыб или амфибий, они существуют у всех позвоночных.

Порождение электрического потенциала идёт при нагрузке на кости во время ходьбы или физических упражнений. После того, как учёные установили, что динозавры питались не в воде, а на суше, нужно было объяснять, почему у травоядных динозавров длинные шеи.

Здесь, естественно, распространилась другая аналогия – уже не с крокодилом, а с жирафом. Однако исследованиями показано, что основная их пища росла на высоте до полутора метров. Для этого динозаврам не нужна была длинная шея.Установлено также: чтобы достать высоко растущие ветки деревьев, динозаврам приходилось иногда становиться на задние конечности. А зачем это делать, если у тебя длинная шея?

Зачем же нужна была такая длинная шея? Объяснений может быть два. Первое уже упоминалось – чтобы на большей высоте поймать точку более вероятного воспламенения выдыхаемого газа. Но есть и второе. Кости (а возможно, и кожа) шеи формировали электрический потенциал, достаточный для того, чтобы воспламенить выдыхаемый газ.

Здесь известное соединяется с другим известным, и получается общее понимание происходившего в далёкой древности.

Если на костную ткань нет регулярной нагрузки, то кости как бы растворяются, начинается остеопороз. Это хорошо известно, но не осознаётся ни простым клерком на сидячей работе, ни учёным, который не задумывается, а почему это так. Скорее всего, именно потому, что в костях в покое останавливаются электрические процессы и идёт вымывание кальция из костей живого организма. А в мёртвой кости останавливаются и эти реакции.

У разных видов рыб мускулы, формирующие электрический разряд, располагаются в разных частях тела. Так, у одних электрических скатов они в хвосте, у других – в районе головы.

Если проводить аналогию с огнедышащим динозавром, то в одном случае воспламенение выделяемого метана идёт после взмаха хвостом, в другом – движением длинной шеи.

У так называемых слоновьих рыб (Mormyroidei) эти мускулы располагаются и вдоль передней трети туловища, и в кончике хвоста, в зависимости от конкретного подвида этих рыб и их возраста. Так что не исключено, что у молодых динозавров электрический орган располагался в шее, а у взрослых – в хвосте.

У электрического сома электрический разряд вырабатывается между грудными плавниками, но у некоторых мелких электрических сомов – между спинным плавником и плавательным пузырём. У рыбы спинопера, обитающей в Южной Америке электрический потенциал формируется органом, протянувшимся от кончика хвоста до грудных плавников.

Электрический угорь имеет три органа, вырабатывающих электрический разряд: основной и два вспомогательных. Причём он, в зависимости от ситуации, использует их любую комбинацию. У рыбы-звездочёта в электрический орган преобразована часть глазных мускулов. При этом варианте динозавр мог поджечь выдыхаемый метан в любой момент, когда увидит опасность. У рыб электрический потенциал обычно между более и менее ионизированными частями мышц, которые расположены одна над другой. Это называется вертикальныем диполем. Но иногда встречаются и горизонтальные диполи, когда эти части мышц расположены справа и слева. Как они были расположены у динозавров, остаётся только гадать.

Две оговорки в заключение

У гипотезы о средствах поджигания газа изнутри ещё один аспект. Даже в среде палеонтологов есть сомнения в том, что исследование скелета динозавра может привести к точным выводам относительно строения и функций внутренних органов. И если уж эта задача трудновыполнима, вряд ли можно надеяться, что завтра будут выявлены электрические органы на бывших когда-то одним скелетом, а сейчас разрозненных костях, выкопанных из земли.

И ещё один сюжет. Появление древних людей самые смелые археологи относят ко времени 23 миллиона лет тому назад, а меловой период закончился, как мы знаем, 60 млн лет тому. Если не заниматься этим разрывом в 37 миллионов лет, то мы никогда не объясним, как появились легенды об огнедышащих драконах.

Не буду брать на себя смелость объяснять, как это стало возможным. Но утверждение, что они были возможны, представляется доказанным.

[1] Wilkinson D. M., Nisbet E. G., Ruxton G. D. Could methane produced by sauropod dinosaurs have helped drive Mesozoic climate warmth?? – Current Biology. – 2012. – Vol. 22, Iss. 9. – P. R292–R293.
[2] Храмов Ю. А. МаттеуччиКарло (MatteucciCarlo) // Физики: Биографическийсправочник / Подред. А. И. Ахиезера. – Изд. 2-е, испр. и дополн. – М.: Наука, 1983. – С. 181

Ю.П. Воронов, кандидат экономических наук, член редколлегии журнала «ЭКО»