Евгения Кандиано /

Древние перья: нельзя летать, можно планировать

Точный расчет биомеханики перьев археоптерикса показал, что первоптицы были неспособны к машущему полету: крыло не могло держать их в воздухе, оно выворачивалось бы, как зонтик под порывом ветра

+T -
Поделиться:
Иллюстрация предоставлена автором
Иллюстрация предоставлена автором

Между палеонтологами долго велась дискуссия о том, могли ли летать первоптицы. Одни считали, что самая древняя найденная птица — археоптерикс (Archaeopteryx) — летать не могла, так как особенности ее скелета не позволяли таких мощных движений, как взмахи крыльев. Другие утверждали, что размер крыльев археоптерикса говорит о том, что птица могла летать. Однако теперь в этом споре, по всей видимости, поставлена точка: в последнем номере Science опубликованы результаты расчетов, согласно которым первоптицы были просто неспособны к полету: летать им не позволяла конструкция перьев. При взмахе крыльев перья сильно прогибались, подобно тому как прогибаются и выворачиваются спицы зонтика от слишком сильного ветра.

В палеонтологической летописи редко сохраняются так называемые промежуточные формы — виды, которые являются как бы мостиком от одной группы животных к другой, неся в себе одновременно признаки предков и стоящей на ступеньку выше группы. Однако с промежуточным звеном между пресмыкающимися и птицами нам повезло: археоптерикс (Archaeopteryx) является переходной формой от первых ко вторым. С одной стороны, это существо (величиной с ворону) напоминало пресмыкающихся, так как у него были зубы и длинный хвост, состоявший из 20 позвонков (у птиц в хвосте нет костей). С другой стороны, его передние конечности превратились в крылья, рудиментарные пальцы которых все еще несли когти, но уже имели и маховые перья. Да и все тело археоптерикса было покрыто перьями, как у современных птиц.

Археоптериксы жили приблизительно 145-150 миллионов лет назад, и их скелеты сохранились только благодаря уникальным условиям формирования зольнхофенских известняков на юге Германии. В те времена территория Германии находилась куда ближе к экватору, чем сейчас, и представляла собой острова в тропическом море. В лагунах вода быстро испарялась, и ее остатки превращались в крепкий соляной раствор. Именно этому процессу мы и обязаны тем, что несколько скелетов археоптерикса сохранились и дошли до наших дней, а не рассыпались под действием солнца, дождя и перепада температур, как это обычно происходит с костями на суше. К началу XXI века было известно о 10 находках археоптерикса, среди которых имелись и отпечатки перьев.

Фото предоставлено автором
Фото предоставлено автором

Эти находки, а также скелеты более поздней первоптицы — конфуциусорниса (Confuciusornis), жившей 120 миллионов лет назад, ученые тщательно измерили и затем на основании измерений произвели расчеты. Особое внимание в исследовании уделялось длине и диаметру стержней маховых перьев первого порядка — самых мощных перьев, которые располагаются на конце крыла. Даже если удалить все перья с крыльев, оставив лишь первые маховые, птица вполне сможет лететь, не теряя ни в скорости, ни в дистанции полета. Но если эти перья всего лишь немного укоротить, птица окажется совершенно неспособной к полету.

Когда перья археоптерикса сравнили с перьями современных птиц (для сравнения выбирались птицы, схожие по размеру с ископаемыми образцами), оказалось, что момент силы, способный вызывать деформацию маховых перьев, у современных птиц на порядок больше, чем у археоптерикса, и на два порядка больше, чем у конфуциусорниса. Другими словами, маховые перья первоптиц не могли выдержать той нагрузки, которую несут перья их потомков. Дальнейшие расчеты показали, что для того, чтобы такие перья выдержали условия полета, вес птиц должен был бы составлять не более 215 граммов (конфуциусорнис) и не более 188 граммов (археоптерикс). Но эти птицы должны были весить значительно больше (согласно реконструкциям 500 граммов и 276 граммов соответственно). Расчеты ученых показывают, что полет археоптерикса и других первоптиц был лишь планированием с верхушки кустарника на землю. Впрочем, птицам большего и не требовалось: в зольнхофенских известняках отсутствуют стволы деревьев; предполагается, что острова, где обитали птицы, были покрыты кустарником высотой до 3 метров.

Почему же так важно знать это наверняка? Дело в том, что перья и крылья появились задолго до того, как птицы научились летать. Собственно, перья были уже у динозавров. В то время они, по всей видимости, отвечали за терморегуляцию, защиту кожи от повреждений и намокания и маскировку. И лишь много позже перья эволюционировали в приспособления, обеспечивающие полет. Узнать о том, как работали перья у переходных (между динозаврами и птицами) форм — значит видеть эволюцию в действии, оказаться зрителем в ее лаборатории. А это, согласитесь, дорогого стоит.

Комментировать Всего 34 комментария

Женя, спасибо за интересный материал. Однако ты наверное знаеш, что первые птицы (может быть скорее всего "протоптицы") появились не в юре как этот красивый археоптерикс на твоей фотографии, а немного раньше: в триассе. Вот и линк:

http://www.nature.com/nature/journal/v417/n6892/abs/nature00818.html

http://www.nature.com/nature/journal/v421/n6921/abs/nature01342.html

Хотя некоторые палеонтологи считают что эти "звери" ближе к динозаврам чем к птицам.

Да конечно, это очень интересно. И все-таки археоптерикс - это самый ранний известный нам скелет ранней птицы. До него были динозавры с крыльями. И были следы кого-то кто умел (возможно) летать. Вообще о крылатых динозаврах можно, конечно, подробнее рассказать...

Максим Никольский Комментарий удален

Максим Никольский Комментарий удален

ну это какой-то экстремизм :)

Я склонен думать (а думать я сегодня не склонен), что всё развивается скачками, вопрос только в размере скачков. Размер этот распределён по какому-то закону похожему на Пуасоновский (Симеон Дени). Интересен вопрос другой - зависит ли выживаемость (вида, а не Симеона Дени) от величины скачка. Скажем, если произошли сильные изменения в природе, то, скорее, сильные скачки увеличивают вероятность выживания нового вида, а если изменения в природе малые - то наверное шагать маленькими шагами эволюции проще. Очень интересная тема.

Жаль, что я ничего в теории динамических систем не понимаю... но тупик вижу (наливает себе из графина)

Алексей, так это ваш друг читал лекцию? А где, интересно, он такие лекции читает и перед какой аудиторией?

нет, к сожалению, я не знаю кто читал эту лекцию. Но я часто говорю на темы в которых ничего не понимаю, например на тему о "динамических системах". Вот Максим и иронизирует...

:)

А теперь я поняла вашу интригу (вашу и Максима, я имею в виду)

ОБА правы

Видообразование происходит в различных условиях. В истории Земли случались катастрофы глобального масшатаба. Поскольку в эти моменты экологические условия сильно меняются, то многие виды не могут приспособиться к этим изменениям и возникают другие виды. Для истории Земли такой момент - мгновение, хотя следует помнить, что такое "мгновение" может длиться миллионы лет (почитайте мой материал про Пермскую катастрофу). С другой стороны видообразование может происходить постепенно и в таких случаях шанс найти промежуточные формы есть. По многим ископаемым морским группам организмов можно выстроить непрерывные филогенетические цепочки и установить кто от кого произошел.

Однако наземные позвоночные, конечно, больше поражают  воображение. Но шансов найти промежуточные формы в данном случае мало, т.к. скелеты наземных животных сохраняются намного реже, чем скелеты морских. Тем не менее и здесь промежуточные формы, случается, находят.

Пример, который вы приводите с бактериями, насколько я могу понять, еще не о видообразовании, хотя уже безусловно приспособляемость. Речь идет об усвоении определенного питания, но не о разграничении видов. В принципе перестройки в организме могут произойти за счет срвнительно небольшого количества мутаций.

"летать им не позволяла конструкция перьев"

Женя, а конструкция перьев была восстановлена по отпечаткам?

Вывод о том, что перья выворачивались как выворачиваются спицы зонтика был сделан лишь на основании их формы. Но ведь ничего не известно о прочности так называемых "спиц"? Продолжая аналогию, у всех зонтиков форма более менее одинакова, только некоторые сгибаются, а некоторые нет :)

Максим Никольский Комментарий удален

Вполне возможно, Максим.

Максим, птеродактиль является рептилией, а не птицей. Причем он не предок птиц, а тупиковая ветвь.

Максим Никольский Комментарий удален

Замечание очень правильное :)

но ученые его предвидели :)

а поэтому моделировалась наиболее прочная гипотетическая конструкция -  в модели стержень был не полый, а полностью состоял из кератина - строительного белка перьев.

Они даже и диаметр считали по максимуму - как замеряли. А ведь стержень пера мог приплюснуться при захоронении и, следовательно, выглядеть шире, чем он был на самом деле.

Спасибо, Евгения!

В "лаборатории эволюции" тему планирования на позвоночных "запускали в работу", как я понимаю, несколько раз. По крайней мере три раза она вышла на полет: летучие ящеры, нынешние летучие мыши и собственно птицы. Остальные эксперименты остались на уровне "отдельных образцов": змеи, которые ребра растопыривают, белки-летяги, рыбки всякие летучие...

Жалко, что среди приматов ни один вид не научился... ладно, не летать, а хотя бы планировать. А ведь посмотришь, как обезьянки по веткам... и понимаешь - счастье было так возможно! "Чому я не сокил, чому не летаю..." :))

Да правильно Вы заметили, что помимо птиц еще в двух разных группах появлялись летающие виды. При этом совершенно независимо, конечно.

Приматы: шерстокрыл (сегодня - отдельный отряд) - это по мнению некоторых палеонтологов, фактически планирующая тупайя.

Не знаю, не знаю... Мне (и не только мне :)) кажется, что шерстокрылы все-таки ближе к насекомоядным. И по интеллекту в том числе. Во всяком случае на гордо реющего примата они явно не тянут :))

Тупайя тоже не орангутан, скажем мягко :) Но орангутан и не попланирует - вес не тот. Мелкие приматы малы в силу своей древности - это же один из самых древних отрядов млекопитающих.

Нет, ну что Вы все - тупайя, тупайя ("как вы лодку назовете"... тут все ясно)... Хочется ведь чего-то гордого и красивого! Ладно, всем понятно, что орагутан не полетит, он по деревьям и ходит отлично.

http://elementy.ru/news/430532

Но вот эти маленькие смышленые мартышки или даже чудесные гиббоны: чего бы им-то шерстяную перепонку какую-нибудь не отрастить! Все равно же прыгают... 

Гиббоны слишком велики. Лимит размера - это шерстокрыл, 800 граммов. Мартышки и игрунки - могли бы быть кандидатами. Почему они не планируют - загадка. Есть такое соображение: практически все планирующие звери по необъяснимой причине живут в ЮВ Азии (а почти все цепкохвостые - почему-то в Ю Америке). Мода у них такая.. В ЮВ Азии нет достаточно мелких приматов.

а может у них крылья от конечностей нижних до верхних? или площадь крыла больше за счет чего то другого, сухожилия были дополнительные. природа то изобретательна ) вот, встречу эту птичку  - спрошу, умела или нет?  а то может обидили такой новостью )))

отпечатки перьев сохранились :)

вообще-то этой дискуссии (умели/не умели летать) уже много лет. Но вот согласно этим исследованиям, действительно, археоптериксы могли летать только как курицы.

Евгении спасибо большое за традиционно добротную и интересную статью.

Меня ремарка Ув. Максима Никольского про динамические системы слегка насторожила подобно тому как настораживает иного вислоухого пойнтера вид токующего тетерева.

Максим, Ваш лектор, имеющий привычку на публике доставать из широких штанин различного рода предметы забыл упомнять одно важное слово: "нелинейных".  Нелинейных динамических систем.

Именно свойства нелинейности придают таким системам  дискретный характер динамики, резкий перескок между аттракторами в фазовом пространстве состояний. Именно с этим свойством связано такое важно явление как SOC. Классическим примером которого являются землетрясения, точнее статистическое рапределение их размеров по частоте по степенному закону(power law)

В линейной же динамической системе все происходит постепенно со всеми промежуточными состояниями.

Если к теме статьи: интересно было бы понять, вот эта способность к полетам, это что было: адаптация к окружающим условиям или результат межвидовой борьбы?

Если последнее, то имеет смысл вспомнить и такую близкую концепцию к SOС как принцип Red Queen.

Который гласит: чтобы сохранить свое место под солнцем, надо постоянно совершенствоваться. Своего рода "гонка вооружений" в живой природе. Кто выдохся - тот уходит в небытие. Как тут говорилось: "тупиковая ветвь". Аккурат как в гонке между СССР и США.

Но и сегодня идет все таже глобальная "гонка воружений", только в области высоких технологий. Это даже наши руководители как-то уже чувствуют на интуитивном уровне, чувствуют  что надо бы что-то делать в этом плане, иначе Россия в итоге будет напоминать как раз ту красивую недоптицу с трехцветными перышками...

Алексей, спасибо за ваш интерес. Меня очень радует, когда люди интересуются такой, казалось бы, неприкладной наукой как палеонтология (точнее ее неприкладными аспектами, вообще-то палеонтология - служанка геологии, часто породы датируются по палеонтологическим остаткам и имеено они дают возможность построить геологические карты). 

Что касается эволюции - это сочетание постепенного процесса (при относительно стабильных экологически условиях) и скачкообразного (в условиях катастроф).

Это кажется совершенно удивительным, но перья появились не как приспособление к полету. Нет единого мнения на их происхождение. Одни ученые считают, что они возникли  из чешуи, другие - что сами по себе. И по всей видимости сначала они может быть предохраняли тело (как волосяной покров) или служили для привлечения полового партнера... И лишь потом преобразовались в приспособления для полета.

Спасибо, Евгения, за развернутый ответ!

Жаль что мы так и не дождались появления нового вида, о котором сообщалось в известной песне:

"Нам разум дал стальные руки-крылья, А вместо сердца - пламенный мотор..."

Вот что касается неприкладных наук. Я склонен думать, что деление наук на  прикладные и неприкладные весьма условно.

Природа как и любой истинный Мастер скупа на мета-концепции. Работает принцип экономии. Поэтому то, что мы видим в неприкладной науке можно на концептуальном уровне обнаружить и в прикладной. И наоборот.

:)

Нет уж, пусть у всех биологических видов будет настоящее сердце вместо пламенного мотора. А у нас, людей, пусть оно будет почувствительнее, чтобы люди были не только могущественными, но и сердобольными.

А что касается фундаментальных и прикладных наук, конечно, без фундаментальных - никуда. Из них прикладные вырастают.

:)

Нет уж, пусть у всех биологических видов будет настоящее сердце вместо пламенного мотора. А у нас, людей, пусть оно будет почувствительнее, чтобы люди были не только могущественными, но и сердобольными.

А что касается фундаментальных и прикладных наук, конечно, без фундаментальных - никуда. Из них прикладные вырастают.

вспомнил!

Инженеры в области аэронавтики предварительно "доказали", что пчелы… не могут летать. Площадь 4х крыльев не соответсвует массе тела!

Майкл Дикинсон, эксперт по полету насекомых и его коллеги из технологической школы в Пасадене, Калифорния (США), решил исследовать силы, фактически работающие при полете пчелы. Ранее в 1996 году Чарли Эллингтон из Кембриджского университета (Великобритания) показал, что вихри, проходящие по переднему краю крыльев многих насекомых, являются главным источником для подъема вверх. Большинство летающих бьют крыльями, совершая большие махи – они описывают дугу в 145 ° - 165 ° с частотой, определяемой размером тела. Только так они могут создать аэродинамические силы, достаточные для полета. Но эта теория не может объяснить, как тяжелому насекомому с короткими крыльями, типа пчелы, удается поднимать себя в воздух. Дикинсон и его коллеги сняли летящих пчел с частотой 6.000 кадров в секунду и создали необычную модель движения крыла. Вначале крыло уходит назад по дуге в 90˚, затем при возвратном движении переворачивается, и все это проделывается 230 раз (!) в секунду. Команда создала робота, чтобы измерить величину используемых сил. У пчелы доминируют более "экзотические" силы, создаваемые изменением направления движения крыла. Дополнительные вихри производятся вращением крыла. “Это походит на пропеллер, где вращаются лопасти”, - отмечают исследователи. Кроме того, крыло возвращается назад в свой собственный "след", что создает большую силу подъема, чем простое колебание воздуха. Наконец, есть другая специфическая сила, известная как “сила добавленной массы”, которая достигает максимума в конце каждого удара, она связана с ускорением, возникающим при изменении направления движения крыла.

Эта работа может помочь при создании пропеллеров или более устойчивых и маневренных самолетов. Данное исследование также “доказывает, что пчелы летают, благодаря Богу”, шутя добавляет Дикинсон.

Оч. круто! но вроде, получается что может летать - только особым способом, верно?

пчелы )) снять рапидной камерой археоптерикс пока нет возможности ))

может археоптерикс красиво планировал ?

с шестой минуты про планирование редких животных: