Птицы научились летать, взбегая по склонам?

Птенец кеклика (на переднем плане) и гипотетический предок птиц (на заднем плане), взбегающие на крутой склон при помощи слаборазвитых крыльев. Возможно, что именно благодаря такому бегу вверх по склону предки птиц научились летать. Иллюстрация из заметки 2003 года о гипотезе Кеннета Дайала

Данные наблюдений за поведением кекликов (каменных куропаток) — птенцов и взрослых — позволили Кеннету Дайалу из Университета Монтаны (США) несколько лет назад выдвинуть новую гипотезу, объясняющую механизм возникновения птичьего полета. Согласно этой гипотезе, предки птиц перешли к полету от бега вверх по склонам (взбегая на крутые скалы и взбираясь на деревья, они помогали бегущим задним конечностям, взмахивая в воздухе передними; в дальнейшем такие движения передних конечностей пригодились им для полета). В новой работе Дайала и его коллег эта гипотеза получила убедительное подтверждение. Оказалось, что и для того, чтобы взбегать по крутому склону, помогая себе взмахами передних конечностей в воздухе, и для того, чтобы полноценно лететь, нужно бить крыльями по воздуху под одним и тем же углом к горизонтальной плоскости (около 120°), создавая аэродинамическую силу, направленную под углом около 40° (±10°) к горизонтальной плоскости. Такие движения, по-видимому, позволяют передним конечностям работать наиболее эффективно и при беге вверх по склону, и при полете. Возможно, что бегающие предки птиц научились летать именно благодаря тому, что нашли этот универсальный правильный угол.

Возникновение полета у птиц, как и у других больших групп летающих животных — насекомых и рукокрылых (летучих мышей), а также у вымерших птерозавров (летающих ящеров) — остается до конца не решенной проблемой эволюционной биологии. Есть несколько гипотез, объясняющих, как птицы и другие крылатые животные могли научиться летать, но ни одна из них пока не получила всеобщего признания.

Взрослый кеклик (каменная куропатка). Наблюдения за поведением кекликов, птенцов и взрослых, позволили Кеннету Дайалу выдвинуть собственную гипотезу происхождения полета у птиц, которая в новой работе Дайала и его коллег получила убедительное подтверждение. Фото с сайта www.nhptv.org

Еще в конце XIX века были выдвинуты две основные гипотезы механизма возникновения полета у птиц: через переход от прыжков с ветки на ветку или с дерева на землю к планированию и, затем, к полету (arboreal hypothesis, «древесная гипотеза») и через переход от простых прыжков при беге по земле к прыжкам при содействии взмахов передних конечностей в воздухе и к полету (cursorial hypothesis, «беговая гипотеза»). Гипотеза наземного происхождения полета впоследствии (в конце XX века) получила дальнейшее развитие: было высказано предположение, что предки птиц первоначально использовали передние конечности для охоты на насекомых (хватая насекомое или оглушая его ударом), а впоследствии стали использовать их и для увеличения высоты прыжков (тоже в процессе охоты). Другая, еще более поздняя версия наземной гипотезы предполагает возникновение полета из нападения на жертв из засады, устраиваемой на возвышенных элементах рельефа.

Несколько лет назад, уже в начале XXI века, Кеннет Дайал (Kenneth P. Dial) из Университета Монтаны (University of Montana) выдвинул еще одну гипотезу, основанную на его наблюдениях за кекликами (каменными куропатками, Alectoris chukar)  — широко распространенными в Северной Америке птицами, заселенными в конце XIX века из Южной Евразии для охоты. Как птенцы кекликов, так и взрослые птицы умеют взбегать на крутые склоны скал и на стволы деревьев, используя для этого частые взмахи крыльями. (Такое поведение известно и у многих других видов птиц.) Чем старше птенец кеклика, тем более крутые склоны он способен покорять таким способом, пока, наконец, он не научится не только бегать вверх по крутому склону, но и лететь, спрыгивая с него. Дайал предположил, что бег по склонам при помощи крыльев (WAIR, wing-assisted incline running) как раз и лежал в основе возникновения полета у предков современных птиц. Чтобы хоть немного помочь при таком беге задним конечностям, достаточно взмахов даже слабооперенных передних конечностей, а примитивные перья, по-видимому, имелись у многих динозавров (от которых, вероятно, и произошли птицы).

Бег вверх по склонам и полет у кекликов — птенцов и взрослых. Едва вылупившиеся птенцы могут подниматься лишь на склоны крутизной до 60° и еще не хлопают при этом крыльями, но по мере взросления они осваивают бег при помощи крыльев и могут покорять всё более крутые склоны. Красными стрелками показан угол удара крыла по воздуху при беге, синими — при полете. Этот угол меняется относительно оси тела птицы (положение которой зависит от крутизны склона), но неизменно составляет около 120° (если измерять угол с той стороны, куда движется птица) относительно горизонтальной плоскости. Бледные синяя и красная стрелки показывают диапазон направлений создаваемой движением крыльев аэродинамической силы. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature

В дальнейшем естественный отбор мог поддержать как развитие оперения передних конечностей, так и совершенствование навыков бега по склонам — если то и другое способствовало успешной охоте или спасению от хищников, — пока предки птиц не достигли в этой технике таких высот, что научились, спрыгивая с покоренных склонов, держаться какое-то время в воздухе за счет работы крыльев.

Динамика изменения угла атаки крыла кеклика при полете (синяя линия) и беге вверх по склону, в данном случае вертикальному (красная линия). Downstroke — движение крыла вниз, upstroke — вверх. По оси абсцисс отложено время в процентах от времени одного движения вниз и одного движения вверх вместе взятых. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Nature

Новая работа Кеннета Дайала и двух его коллег из его лаборатории в Университете Монтаны, в основу которой положены наблюдения за кекликами (как птенцами, так и взрослыми), позволила выявить, по мнению исследователей, фундаментальное свойство птичьего полета, к тому же общее с бегом по склону при помощи крыльев. Авторы работы записывали полет и бег по склону на цифровые камеры, а затем обрабатывали полученные записи, отслеживая движение определенных точек на туловище и крыльях птицы.

Колибри Archilochus colubris (Северная Америка) может махать крыльями с частотой больше 50 Гц (то есть больше 50 раз в секунду) и висеть в воздухе на одном месте. Все колибри умеют зависать в воздухе, но не все достигают такой высокой частоты взмахов. Фото с сайта www.ornithomedia.com

Оказалось, что для обеих форм передвижения используется один и тот же оптимальный угол (относительно горизонтальной плоскости), под которым передние конечности должны бить воздух. Этот угол составляет около 120° и варьирует незначительно (обычно лишь немногим более чем на 10° в большую и меньшую стороны). Кроме того, при обеих формах движения сходным образом изменяется угол атаки, то есть угол, образуемый плоскостью крыла относительно горизонтальной плоскости. Такие движения создают аэродинамическую силу, направленную под углом 40° (±10°) к горизонтальной плоскости, позволяющую птице лететь или помогающую ей бежать вверх по крутому склону. Возможно, именно благодаря тому, что они нашли этот универсальный правильный угол, предки птиц и научились эффективно бегать по крутым склонам, а через это, впоследствии, и летать.

Дайал и его соавторы пишут, что наблюдали аналогичное поведение у 20 с лишним видов птиц из других групп, как эволюционно древних, так и возникших сравнительно недавно, и у большинства обнаружили способность к сходному поведению, то есть к бегу вверх по склону и полету с одинаковой динамикой движения крыльев относительно горизонтальной плоскости.

Если по тому, как учатся летать кеклики и другие виды птиц, птенцы которых взбегают по склонам при помощи крыльев, мы действительно можем судить о том, как научились летать их далекие предки, то новая работа дает эволюционистам ключ к решению вопроса об эволюционном механизме возникновения птичьего полета. Есть надежда, что дальнейшие исследования современных птиц и их ископаемых предков и родственников позволят решить эту проблему окончательно.

Источник: Kenneth P. Dial, Brandon E. Jackson, Paolo Segre. A fundamental avian wing-stroke provides a new perspective on the evolution of flight // Nature. 2008. V. 451. P. 985–989.

Cм. также:
1) Rebecca Morelle. Secrets of bird flight revealed // BBC News.
2) Brian Handwerk. Wing angle may be key to bird flight origins // National Geographic News.
3) Kenneth P. Dial. Wing-assisted incline running and the evolution of flight // Science. 17 January 2003. V. 299. P. 402–404.
4) Elizabeth Pennisi. Uphill dash may have led to flight // Science. 17 January 2003. V. 299. P. 329.

Петр Петров

<< Назад