Физики вычислили частоту дыхания платеозавра

Американские и польские физики построили математическую модель, которая показала, что динозавры Plateosaurus trossingensis дышали в среднем семь раз в минуту. Модель связала массу животного, вырабатываемую им в результате метаболизма энергию и количество кислорода, которое оно вдыхает. Валидность модели ученые проверили на птицах и аллигаторах. Исследование опубликовано в The Physics Teacher.

Механика живых организмов позволяет найти ответы на вопросы о том, как жили вымершие организмы. Мы уже рассказывали, как физическое моделирование помогло понять, какую роль играл хвост у терапод и бронтозавров. Вычисление же энергетического баланса жизнедеятельности животных дает оценку для эффективности тех или иных поведенческих стратегий. Например, именно так ученые поняли, что швыряние мочой цикадками имеет эволюционные преимущества.

Скотт Ли (Scott Lee) из Университета Толедо и Юстина Словяк-Морковина (Justyna Slowiak-Morkovina) из Института палеобиологии Польской академии наук решили применить физические методы, чтобы понять, насколько часто дышал динозавр Plateosaurus trossingensis. Для этого они оценили количество энергии, которое необходимо было средней особи платеозавра для выживания и роста, и связали его с количеством вдыхаемого кислорода. Ученые рассказали, что использовали эту задачу на занятиях по физике.

Построение своей модели физики начали с выявления связи мощности метаболизма, то есть количества производимой телом энергии в единицу времени, с массой тела и изменением количества клеток животного со временем. На следующем этапе авторы сконцентрировались на энергетическом балансе реакции расщепления глюкозы на воду и углекислых газ под действием кислорода. При расходе молекулярного кислорода со скоростью один литр в минуту эта реакция производит 347,5 ватта мощности. Близкие цифры дают и другие реакции, например, окисление липидов — 327 ватт.

Дальнейшее моделирование требует знания о том, какая система дыхания была у платеозавров. Физики использовали утверждение о том, что динозавры, как и птицы, обладали однонаправленным дыханием, при котором кислород извлекается и на вдохе, и на выдохе. Зная объем легких и эффективность извлечения кислорода, можно рассчитать частоту дыхания животного в состоянии покоя. Прежде чем делать это для Plateosaurus trossingensis, авторы апробировали модель на видах, имеющих такую же дыхательную систему: некоторых птицах и миссисипских аллигаторах (Alligator mississippiensis). Результаты вычислений оказались в хорошем согласии с результатами наблюдений.

Далее ученые учли, что 200 миллионов лет назад, когда жили эти динозавры, кислорода в воздухе было около 12,5 процента. Расчеты показали, что среднему платеозавру требовалось вдыхать около 14 литров воздуха в минуту. Учитывая, что средний объем легких животного составляет два литра, модель физиков предсказала для него 7±3 вдохов в минуту.

Математические вычисления, проделанные авторами, довольно просты. Это позволило использовать задачу о дыхании динозавра в учебном процессе. Это не первый раз, когда динозавры помогают учить физику. Ранее Скотт Ли уже предлагал своим студентам выяснить, обгонит ли терапод Dilophosaurus wetherilli чемпиона мира по бегу Усейна Болта на короткой дистанции.