Ранние перья поставили вопрос о рождении полёта

Первые птицы научились нормально летать далеко не за один десяток миллионов лет. Перед завоеванием воздушного океана планеты у них был долгий период сравнительно скромных экспериментов с полётами, вряд ли уносившими птах дальше, чем на соседнюю ветку дерева. Как всё это могло выглядеть, попробовали узнать исследователи из Великобритании и Ирландии.

Полёт в том или ином виде (как планирующий, при прыжке с высоты, так и активный) природа изобрела до птиц, равно как появились раньше и перья. Но именно рождение птах и "обучение" их машущему полёту вызывают у исследователей наибольшие споры. В частности, регулярно появляются работы, обосновывавшие один из двух механизмов возникновения полёта.

Первый: бег по земле с подскоками при преодолении препятствий, во время которых существа, эволюционирующие из дино в птиц, махали передними конечностями, помогая себе дольше удержаться в воздухе. Второй: прыжки с деревьев или скал с планированием. Крылья в таком случае помогали замедлить падение, а машущий полёт с набором высоты родился у птиц позднее.

В качестве аргументов спорщики из того или иного лагеря используют компьютерные модели, воспроизводящие биомеханику полёта у древних созданий и современных птиц, сравнение анатомии первых птиц и современных пернатых, сопоставление имеющихся данных об образе жизни и среде обитания тех и других. Но ясности до сих пор нет.

Род примитивных птиц конфуциусорнисов насчитывает несколько видов и интересен тем, что это самая ранняя птица, обладавшая клювом (челюсти более раннего археоптерикса ещё были идентичны пасти динозавров) (иллюстрации Frederik Spindler, wikipedia.org).

Чтобы пролить новый свет на этот интересный вопрос, биолог Роберт Наддс (Robert Nudds) из университета Манчестера (University of Manchester) и палеонтолог Гарет Дайк (Gareth Dyke) из университетского колледжа Дублина (University College Dublin) детально изучили окаменелости перьев двух древнейших птиц: "первоптицы" археоптерикса (Archaeopteryx), появившегося на Земле примерно 150-140 миллионов лет назад, и конфуциусорниса (Confuciusornis), жившего примерно 120 миллионов лет назад.

Сначала авторы исследования измерили длину первичных перьев и диаметр их стержней у пяти образцов конфуциусорниса, взятых из двух музеев в Германии. Далее они воспользовались существующими оценками массы этой птицы и внесли данные в уравнение Эйлера-Бернулли для расчёта поведения балки (в данном случае — основы пера) под нагрузкой.

Оказалось, что перья конфуциусорниса были очень плохо приспособлены для активного полёта — при взмахах они должны были терять устойчивость и ломаться. Правда, учёным пока неизвестно — были ли стержни перьев первых птиц полыми, как у птах современных, или сплошными.

Если верно первое — конфуциусорнис, по мнению двух исследователей, просто не мог рассчитывать на нечто более сложное, чем затяжной прыжок с высокой ветки вниз. Если основа перьев была сплошной — активный полёт был возможен, но на грани. Даже в таком случае прочность перьев (оказавшихся более тонкими и слабыми, чем современные) была не слишком высока.

О том, что Confuciusornis, возможно, не был способен к машущему полёту, учёные говорили ещё несколько лет назад, после анализа скелета создания и сравнения его со скелетами современных пернатых. Однако не исключено, что просто техника полёта у ранних птиц была отличной от нынешних птах и потому точку в данном вопросе ставить слишком рано (фото Carnegie Museum of Natural History).

Для сравнения учёные выполнили аналогичный анализ перьев голубей, чаек и грифов. Если у доисторических птиц прочность пера оказалась едва ли не вдвое меньшей, чем необходимая для предотвращения потери устойчивости "балки" при машущем полёте, то у современных птиц этот параметр обладал 13-кратным запасом. (Детали анализа раскрывает статья в Science.)

Тот же метод Наддс и Дайк применили к окаменелостям перьев археоптерикса. И он тоже оказался плохим летуном, но, что удивительно, всё-таки более способным, чем живший позднее конфуциусорнис. Это привело биологов к попутному вопросу: когда именно линия птиц раскололась на ветви птах летающих и нелетающих?

Главное, впрочем, машущий полёт. Роберт и Гарет приходят к выводу, что ранние птицы обзавелись перьями в первую очередь с целью сохранения тепла и для красоты — привлечения особей противоположного пола.

Исследователи полагают, что ранние птицы больше карабкались по деревьям, иногда спрыгивая вниз и совершая при этом планирующий полёт, в котором их слабые крылья вряд ли могли давать заметное количество тяги, но хотя бы удлиняли и стабилизировали прыжок. А вот полноценный полёт у птиц с сильными "ударами" крыльев о воздух должен был возникнуть гораздо позже, вероятно, уже после конфуциусорниса.

Для сопоставления параметров различных видов конфуциусорнисов, археоптерикса и современных птах авторы работы составили ряд графиков, показывающих соотношение массы тела и длины маховых перьев, веса птицы и толщины стержней её перьев, изгибающего момента на конечностях и опять же геометрии перьев и так далее (иллюстрации Robert L. Nudds, Gareth J. Dyke/Science).

Не все учёные разделяют взгляды наших героев. "Я согласен, что конфуциусорнис и археоптерикс были плохими летунами, — говорит Луис Чиаппе (Luis Chiappe) из музея естествознания Лос-Анджелеса (Natural History Museum of Los Angeles County). — Я не согласен, однако, что эти птицы не могли летать, хлопая крыльями." По его словам, ископаемые стержни ранних птиц плохо сохранились и их трудно измерить точно.

Филип Кьюрри (Philip Currie) из университета Альберты (University of Alberta) высказался в том же ключе: "Это наиболее убедительное доказательство того, что эти птицы не очень хорошо чувствовали себя в воздухе".

Но Филип также ставит под сомнение выводы о том, что ранние птахи были способны только на "пассивное" скольжение. Ведь окаменелости таких птиц были найдены в морских и озёрных отложениях. "Если бы данные птицы могли только бросаться с деревьев, как они оказались так далеко от берега?" — вопрошает канадский палеонтолог.

Очевидно, картина рождения птиц и их полёта ещё нуждается в уточнении. Возможно, в этом деле учёным помогут окаменелости перьев птиц, живших несколько позже археоптерикса и конфуциусорниса.

Наддс и Дайк как раз намерены заняться этой работой, — добавляет PhysOrg.com. Увы, останки такого рода крайне немногочисленны, что затрудняет сопоставление и анализ. Тем не менее расследование по делу птиц ещё рано считать завершённым.