Новое принстонское исследование показывает, что доисторические мегатозубые акулы — самые большие акулы, которые когда—либо жили, - были высшими хищниками на самом высоком уровне, когда-либо измеренном.

Мегатозубые акулы получили свое название из-за своих массивных зубов, каждый из которых может быть больше человеческой руки. В эту группу входит мегалодон, самая большая акула, которая когда-либо жила, а также несколько родственных видов.

В то время как акулы того или иного вида существовали задолго до динозавров — более 400 миллионов лет, — эти мегатозубые акулы эволюционировали после того, как динозавры вымерли, и правили морями всего 3 миллиона лет назад.

"Мы привыкли думать о самых крупных видах — голубых китах, китовых акулах, даже слонах и диплодоках — как о питающихся фильтрами или травоядных животных, а не хищниках", - сказала Эмма Каст, аспирантка по геонаукам, которая является первым автором нового исследования в текущем выпуске Science Advances. "Но мегалодон и другие мегатозубые акулы были действительно огромными плотоядными животными, которые питались другими хищниками, а Мег вымерла всего несколько миллионов лет назад".

Ее советник Дэнни Сигман, профессор геологических и геофизических наук Принстонского университета в Дусенбери, добавил: "Если бы мегалодон существовал в современном океане, это полностью изменило бы взаимодействие людей с морской средой".

Команда исследователей из Принстона теперь обнаружила явные доказательства того, что мегалодон и некоторые из его предков находились на самой высокой ступени доисторической пищевой цепи — то, что ученые называют высшим "трофическим уровнем". Действительно, их трофическая характеристика настолько высока, что они, должно быть, ели других хищников и хищников хищников в сложной пищевой сети, говорят исследователи.

"Пищевые сети океана, как правило, длиннее, чем пищевая цепочка наземных животных "трава-олень-волк", потому что вы начинаете с таких маленьких организмов", - сказала Каст, ныне работающая в Кембриджском университете, которая написала первую итерацию этого исследования в качестве главы в своей диссертации. "Чтобы достичь трофических уровней, которые мы измеряем у этих мегатозубых акул, нам нужно не просто добавить один трофический уровень — одного высшего хищника на вершине морской пищевой цепи — нам нужно добавить несколько на вершину современной морской пищевой сети".

Длина мегалодона по консервативным оценкам составляет 15 метров — 50 футов, в то время как современные большие белые акулы обычно достигают высоты около пяти метров (15 футов).

Чтобы прийти к своим выводам о доисторической морской пищевой сети, Каст, Сигман и их коллеги использовали новую методику измерения изотопов азота в зубах акул. Экологам давно известно, что чем больше азота-15 в организме, тем выше его трофический уровень, но ученым никогда прежде не удавалось измерить крошечные количества азота, сохранившиеся в слое эмали зубов этих вымерших хищников.

"У нас есть серия зубов акулы из разных периодов времени, и мы смогли проследить их трофический уровень в зависимости от их размера", - сказал Цзысюань (Кристал) Рао, аспирант исследовательской группы Сигмана и соавтор текущей статьи.

Одним из способов повысить один или два дополнительных трофических уровня является каннибализм, и несколько свидетельств указывают на это как у мегатозубых акул, так и у других доисторических морских хищников.

Азотная машина времени

Без машины времени нет простого способа воссоздать пищевую сеть вымерших существ; сохранилось очень мало костей со следами зубов, которые говорят: "Меня пожевала огромная акула".

К счастью, Сигман и его команда потратили десятилетия на разработку других методов, основанных на знании того, что уровень изотопов азота в клетках животного показывает, находится ли оно на вершине, в середине или в нижней части пищевой цепи.

"Все направление моей исследовательской группы заключается в поиске химически свежего, но физически защищенного органического вещества, включая азот, в организмах из далекого геологического прошлого", — сказал Сигман.

Некоторые растения, водоросли и другие виды, находящиеся в нижней части пищевой сети, овладели искусством превращать азот из воздуха или воды в азот в своих тканях. Организмы, которые их едят, затем включают этот азот в свои собственные тела, и, что особенно важно, они преимущественно выделяют (иногда с мочой) больше более легкого изотопа азота, N-14, чем его более тяжелого родственника, N-15.

Другими словами, N-15 накапливается по сравнению с N-14 по мере того, как вы поднимаетесь вверх по пищевой цепочке.

Другие исследователи использовали этот подход на существах из недавнего прошлого — самых последних 10-15 тысяч лет, — но до сих пор у более старых животных не оставалось достаточного количества азота для измерения.

Почему? Мягкие ткани, такие как мышцы и кожа, почти никогда не сохраняются. Что еще более усложняет ситуацию, у акул нет костей — их скелет состоит из хрящей.

Но у акул есть один золотой билет в летопись окаменелостей: зубы. Зубы легче сохраняются, чем кости, потому что они покрыты эмалью, твердым как камень материалом, который практически невосприимчив к большинству разлагающихся бактерий.

"Зубы спроектированы так, чтобы быть химически и физически устойчивыми, чтобы они могли выживать в очень химически реактивной среде полости рта и расщеплять пищу, которая может содержать твердые части", - объяснил Сигман. И, кроме того, акулы не ограничиваются примерно 30 жемчужно-белыми, которые есть у людей. Они постоянно растут и теряют зубы — современные песчаные акулы теряют в среднем по зубу каждый день в течение своей десятилетней жизни, что означает, что каждая акула производит тысячи зубов за свою жизнь.

"Если заглянуть в геологическую летопись, то одним из самых распространенных видов ископаемых являются зубы акулы", - сказал Сигман. "А внутри зубов находится крошечное количество органического вещества, которое использовалось для создания зубной эмали — и теперь находится в ловушке внутри этой эмали".

Поскольку акульих зубов так много и они так хорошо сохраняются, азотные сигнатуры в эмали позволяют определить статус в пищевой сети, независимо от того, выпал ли зуб из пасти акулы миллионы лет назад или вчера.

Даже самый большой зуб имеет лишь тонкую оболочку эмали, в которой азотный компонент составляет лишь крошечный след. Но команда Сигмана разрабатывает все более и более совершенные методы извлечения и измерения этих соотношений изотопов азота, и с небольшой помощью стоматологических бормашин, чистящих химикатов и микробов, которые в конечном итоге превращают азот из эмали в закись азота, теперь они могут точно измерить соотношение N15-N14 в эти древние зубы.

"Мы немного похожи на пивоварню", - сказал он. "Мы выращиваем микробов и скармливаем им наши образцы. Они производят для нас закись азота, а затем мы анализируем полученную ими закись азота".

Для анализа требуется специально разработанная автоматизированная система получения закиси азота, которая извлекает, очищает, концентрирует и подает газ в специализированный масс-спектрометр со стабильным соотношением изотопов.

"Это был многолетний поиск, которым я занимался, чтобы разработать основной метод измерения этих следовых количеств азота", - сказал Сигман. От микрофоссилий в отложениях они перешли к другим типам окаменелостей, таким как кораллы, рыбьи ушные кости и зубы акул. "Затем мы и наши сотрудники применяем это к зубам млекопитающих и зубам динозавров".

Глубокое погружение в литературу во время карантина

В начале пандемии, пока ее друзья готовили закуски на закваске и смотрели Netflix, Каст изучала экологическую литературу в поисках измерений изотопов азота у современных морских животных.

"Одна из крутых вещей, которые сделала Эмма, — это действительно покопаться в литературе — все данные, опубликованные за десятилетия, - и связать их с летописью окаменелостей", - сказал Майкл (Мик) Гриффитс, палеоклиматолог и геохимик из Университета Уильяма Паттерсона и соавтор статьи.

Пока Каст находилась дома на карантине, она кропотливо создала рекорд, насчитывающий более 20 000 особей морских млекопитающих и более 5000 акул. Она хочет пойти гораздо дальше. "Наш инструмент обладает потенциалом для расшифровки древних пищевых сетей; что нам сейчас нужно, так это образцы", - сказал Каст. "Я бы хотел найти музей или другой архив со снимком экосистемы — коллекцией различных видов окаменелостей из одного времени и места, от форамов у самого основания пищевой сети до отолитов — костей внутреннего уха — от разных видов рыб до зубов морских млекопитающих., плюс акульи зубы. Мы могли бы провести тот же анализ изотопов азота и собрать воедино всю историю древней экосистемы".

В дополнение к поиску литературы, их база данных включает их собственные образцы акульих зубов. Соавтор Кеншу Симада из Университета Депола связался с аквариумами и музеями, в то время как соавторы Мартин Беккер из Университета Уильяма Паттерсона и Гарри Мейш из Университета побережья Мексиканского залива Флориды собрали образцы мегатозубов на морском дне.

"Это действительно опасно; Гарри - мастер дайвинга, и вам действительно нужно быть экспертом, чтобы получить это", - сказал Гриффитс. "Вы можете найти маленькие акульи зубы на пляже, но чтобы получить наиболее хорошо сохранившиеся образцы, вам нужно спуститься на дно океана. Марти и Гарри собрали зубы отовсюду."

Он добавил: "Это были действительно совместные усилия по получению образцов, чтобы собрать все воедино. В целом, сотрудничество с Принстоном и другими региональными университетами действительно увлекательно, потому что студенты потрясающие, а с моими коллегами там было действительно здорово работать".

Аллия Ахтар, аспирантка Принстона, в настоящее время является постдокторантом в лаборатории Гриффитса.

"Работа, которую я сделал для своей диссертации (изучение изотопного состава морской воды), поставила столько же вопросов, сколько и дала ответов, и я был невероятно благодарен за возможность продолжить работу над некоторыми из них с коллегой / наставником, которого я уважаю", - написал Ахтар в электронном письме. "Я очень взволнован всей той работой, которую еще предстоит проделать, всеми тайнами, которые еще предстоит разгадать!"

ИСТОЧНИК