Как однажды предположил известный биолог-эволюционист Джон Бердон Сандерсон Холдейн, если мышь упадет в тысячефутовую угольную шахту, она поднимется, отряхнется, убежит и, возможно, даже не прочь будет снова повторить этот трюк. А вот крыса, упавшая с такой же высоты, непременно погибнет. Лошадь расплющится в лепешку, пишет Холдейн, а человек переломает себе все кости. В своем эссе 1926 года On Being the Right Size («Как быть правильного размера») ученый не подобрал колоритного глагола для описания того, что произойдет, если в такую шахту упадет девятитонный тираннозавр рекс. Но мы можем представить, как гигантский хищник пронесется вниз со скоростью 172 мили/ч (ок. 276 км/ч) и шмякнется на землю с силой 120 тонна-сил и… разобьется вдребезги? Разорвется на части? Взорвется?
Если оставить в стороне точность описания скоропостижной кончины тираннозавра, цель жутковатого мысленного эксперимента Холдейна состояла в том, чтобы продемонстрировать, насколько по-разному действует гравитация на животных разного размера. Взаимосвязь между размером и силой гравитации, а также различие в судьбах мыши и крысы объясняются законом квадрата-куба, который утверждает тот простой факт, что по мере увеличения объекта в размере его объем будет увеличиваться пропорционально кубу размера, а площадь его поверхности – пропорционально квадрату.
Поскольку площадь поверхности падающего животного влияет на сопротивление воздуха при падении, а его масса определяет силу удара, падение различных животных может оказаться впечатляющим, трагическим или отвратительным зрелищем, в зависимости от небольших различий в размерах. Сам закон несложен для понимания, но поскольку число в кубе растет намного быстрее, чем в квадрате, чрезвычайно сложно прикинуть в уме, каковы будут последствия этих расхождений в числах. Это особенно верно в отношении самых больших наземных животных, которые когда-либо ходили по земле, особенно если вам нужно убежать от них.
Когда вами заинтересуется Т-рекс, при виде его здоровых ног вам может прийти в голову, что лучше всего спрятаться. Не делайте этого! Вспомните о том, что «непропорциональный эффект размера» на вашей стороне. Скоропостижная кончина Т-рекса на дне угольной шахты иллюстрирует самый главный фактор, который нужно будет принять во внимание, когда за вами погонится гигантский ископаемый ящер: в гонке за жизнь его поражающий воображение, пугающий, ошеломляющий размер на самом деле обернется для вас величайшим преимуществом.
Взрослый тираннозавр рекс был абсурдно большим и абсурдно сильным. Он одним укусом мог переломать кость трицератопса, своими челюстями мог подбрасывать куски мяса размером с человека на 16 футов в воздух. Он был ростом с жирафа и тяжелым, как слон (весил 10 т). «Тираннозавр рекс имел больше мышц, ответственных за движение, чем любое другое животное на земле (в пропорциональном отношении)», – пишет Эрик Снайвли, биолог из Оклахомского университета, изучающий биомеханику динозавров. И все же, если вам доведется повстречаться с тираннозавром, вы не должны испытывать ничего, кроме легкого беспокойства, потому что он не умел бегать.
Я спросил Джона Р. Хатчинсона, ведущего автора статьи, опубликованной в журнале Nature в 2002 году под названием Tyrannosaurus Was Not a Fast Runner («Тираннозавр не был быстрым бегуном»), как выглядело бы выступление тираннозавра, если бы он участвовал в состязании в беге.
«Бег на короткие дистанции – это лучшее, что мы можем от него ожидать, – ответил он, – и не с быстрым стартом». Невероятно мощный длинноногий тираннозавр передвигался медленно по той же математической причине, по которой его гибель в шахте была бы столь стремительной. Как и площадь поверхности, прочность костей зависит от куба объема. В результате по мере того, как животное увеличивается в размерах, ему требуется пропорционально больше мышц и костей ног, чтобы стоять, двигаться и бегать. За пределами определенного размера бег становится физически невозможным, поэтому Годзилла и Кинг-Конг существуют только в сказках. При такой мышечной массе кости ног тираннозавра не выдержали бы ничего интенсивнее быстрой ходьбы. Судя по его массе, мышцам и костям, Снайвли не верит, что взрослый тираннозавр мог двигаться быстрее, чем со скоростью 12 или 13 миль/ч (19−21 км/ч). Хотя 12 миль/ч (ок. 19 км/ч) приближается к максимальной скорости обычного человека в зависимости от его физической подготовки – это как пробежать стометровку за 20 секунд, – нерасторопность тираннозавра дает среднему бегуну хорошие шансы обогнать неуклюжего хищника или перехитрить его [2].
Конечно, в мезозойскую эру тираннозавр рекс вряд ли окажется вашей единственной заботой. Многие другие плотоядные динозавры разных размеров были бы не прочь перекусить вами. Опять же сможете ли вы обогнать их или нет, зависит от их веса. В 2017 году биолог Мириам Хирт и ее коллеги, изучающие движения животных в Германском центре интегративных исследований биоразнообразия, задались простым вопросом: существует ли оптимальный размер для скорости? И обнаружили удивительно простой ответ: да. Когда Хирт нанесла на график вес и скорость каждого бегущего, плавающего и летающего животного на земле, она обнаружила, что, независимо от способа движения, соотношение их размера и скорости образует параболическую кривую.
И самые маленькие, и самые большие животные самые медлительные. Она пришла к выводу, что если поставить задачу спроектировать животное, которое быстро бегает, то оно должно весить примерно 200 фунтов (91 кг). Немного больше для животного, которое быстро плавает, немного легче для животного, которое быстро летает.
Открытие Хирт говорит не только о том, что вам следует больше всего бояться динозавров среднего размера, но, что, возможно, даже более важно, о том, что вам вообще можно не бояться самых крупных. Независимо от силы или строения для самых крупных динозавров было бы физически невозможно обогнать человека в хорошем физическом состоянии. Причина, по словам Хирт, в результате взаимодействия между мощностью, ускорением и метаболизмом, который подпитывает и то и другое.
Максимальная скорость животного зависит от совокупности двух факторов. Во-первых, от его общей мышечной силы, что увеличивается пропорционально массе. Во-вторых, от его способности ускорять эту массу, которая пропорционально уже не масштабируется. Ускорение зависит от анаэробных мышц, использующих накопленное топливо, называемое АТФ, для обеспечения быстрых сокращений. Эти так называемые быстросокращающиеся мышцы производят резкие и мощные сокращения, необходимые для ускорения. Но емкость АТФ, определяемая метаболизмом, конечна, она быстро истощается.
По не совсем понятным причинам обмен веществ уменьшается пропорционально массе животного (точнее, уменьшается в степени 0,75). Это сокращение делает более крупных животных более энергоэффективными по сравнению с более мелкими. Если бы метаболизм человека был пропорционален, например, метаболизму мыши, нам пришлось бы съедать примерно 25 фунтов (ок. 11 кг) пищи в день. Таким образом, крупные животные более эффективны, но цена этой эффективности пропорционально меньше энергии АТФ для ускорения.
Создав простую формулу, представляющую баланс между силой и ускорением, Хирт предсказала скорость животных, основываясь только на их весе.
Благодаря ограничениям метаболизма и массы мы можем снять со счетов любого динозавра весом более 6000 фунтов (ок. 2,7 т) как хищную угрозу. Вероятно, нет ни одного животного такого размера или крупнее – ни сегодня, ни в любой момент истории, – от которого не смог бы убежать хорошо подготовленный молодой человек.
К сожалению, множество хищников гораздо меньше в размерах, но угрозу представляют куда более серьезную. Открытие Хирт показывает, что размер животного не является единственным фактором, определяющим его скорость. Ясно, что два вида примерно одинакового веса – например, человек и гепард – могут бегать с совершенно разной скоростью в зависимости от строения тела. Поэтому, прежде чем зашнуровать кроссовки, вам нужно точно знать скорость вашего противника. Нужно знать, ставите ли вы свою жизнь на гонку против бегуна-рептилии.
