Ученые выяснили, как первые птицы на Земле научились летать

Фото из открытых источников

Полёт птиц в его современном виде не появился внезапно. Ранние пернатые животные всё ещё обладали чертами динозавров, поэтому способность взлетать в воздух, вероятно, развивалась поэтапно.

Археоптерикс жил около 150 миллионов лет назад и долгое время занимал центральное место в этом вопросе. Компьютерная модель теперь предполагает, что он мог развивать достаточную скорость для полета за счет двух или трех мощных прыжков. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Developmental Biology.

Археоптерикс имел крылья и маховые перья, а также длинный костный хвост, когтистые пальцы и зубы в челюстях без клюва. Такое сочетание помогает объяснить, почему оно важно для понимания перехода от динозавров к птицам.

«Археоптерикс — первая настоящая птица, — сказал Нил Гостлинг из Университета Саутгемптона. — Он был покрыт перьями и имел крылья, но также сохранил ряд характерных для динозавров черт, таких как длинный костлявый хвост, когти на отдельных пальцах и зубы в челюсти без клюва. По сравнению с теми, которых мы знаем сегодня, эта „птица“ была не особенно развитой».

Современные птицы часто сильно отталкиваются обеими ногами, начиная мощные взмахи крыльями. У археоптерикса отсутствовала килевидная грудина — гребень грудной кости, к которому крепятся крупные летательные мышцы, — и была ограничена подвижность плечевого пояса.

«Мы знаем, что археоптерикс не мог полагаться на свои крылья для взлета — у него не было килевидной грудины, а плечо не могло поднять крыло выше спины, — поэтому мы задались вопросом, какой вклад могли внести его ноги», — сказал профессор Маркус Хеллер из Университета Саутгемптона. «Оказывается, именно здесь и обеспечивается взлет: ноги создают силу, а крылья берут на себя дальнейшую работу».

Задние ноги предлагали другой вариант. Реконструированные задние ноги составляли около 13 процентов массы тела, по сравнению с примерно девятью-десятью процентами у ныне живущих птиц.

Команда разработала биомеханическую модель, представляющую собой компьютерную симуляцию движений и сил, действующих на тело.

Это было животное весом около 400 граммов, что близко к середине диапазона опубликованных оценок, варьирующихся от 200 граммов до 600 граммов.

Исследователи использовали данные измерений, полученные при взлете зебровых амадин, включая движения тела и силу каждого толчка о землю. Движущиеся рентгеновские снимки отслеживали суставы птиц, и команда корректировала эти движения в соответствии с пропорциями ног археоптерикса.

Модель представляла 32 мышцы и соединяющие их сухожилия, а оценки силы были получены на основе данных о сороках, цесарках и нильских крокодилах. В исследовании сравнивалась сила скручивания, необходимая в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, с расчетной силой, которую эти мышцы могут развить.

Команда протестировала один прыжок, повторные прыжки и прыжки в сочетании с небольшим нисходящим взмахом крыла. Двуногий прыжок задействует обе задние ноги, и модель приписывала им всю начальную скорость.

Прыжок, совершаемый с помощью силы ног, развивал смоделированную скорость 2,98 метра в секунду. Отталкивание длилось от 66 до 74 миллисекунд, при этом основным пределом были мышцы голеностопного сустава.

Это было ниже расчетных семь метров в секунду, необходимых для поддержания полета. После трех прыжков животное достигло скорости 6,66 метров в секунду, после чего умеренные взмахи крыльев позволяли ему достичь целевой скорости за 0,23 секунды.

При выполнении взмаха крыла вниз между двумя прыжками модель достигала скорости 6,24 метра в секунду. Продолжение взмахов позволяло ей достичь целевой скорости за 0,36 секунды.

«Наши результаты показывают, что археоптерикс среднего размера, весом 400 г, мог достичь устойчивой скорости полета в семь метров в секунду, совершив три прыжка на двух ногах или два прыжка на двух ногах с взмахом крыльев вниз между прыжками», — сказал Эрик Мейлак из Саутгемптонского университета.

«Все птицы отталкиваются ногами при взлете», — сказал Гостлинг. «Фактически, до 90 процентов силы, необходимой для отрыва от земли, приходится на ноги, а затем работу выполняют крылья.  Археоптерикс либо совершал один прыжок за другим, а затем много взмахивал крыльями, либо один прыжок, взмах крыльями, еще один прыжок и еще больше взмахов крыльями».

Многие современные птицы, включая ворон, сорок и чаек, могут взлететь одним прыжком, а также использовать несколько подскоков, чтобы подняться в воздух. Обычно они совершают один мощный прыжок, когда их пугают, они испытывают стресс или им угрожает опасность, а при менее срочных обстоятельствах используют два или более прыжка.

Модель показывает, что множественные прыжки были физически возможны, а не то, что ископаемые данные доказывают существование такого поведения. Результаты зависят от оценок позы, силы мышц, силы крыльев и скорости, сохраняемой после приземления.

Зебровые вьюрки более чем в 10 раз легче, чем смоделированный археоптерикс. Сравнение с воронами показало аналогичную зависимость от конечностей, но современные птицы остаются несовершенными заменителями животных юрского периода.

В модели мышц использовались оценки максимальной силы, а не учитывались все характеристики живой ткани, включая длину мышечных волокон и растяжение сухожилий. Возможно, археоптериксу приходилось работать на пределе этих возможностей, особенно в области голеностопного сустава.

Изменение точки равновесия тела и места соприкосновения стопы с землей приводило к изменению скорости одного прыжка с 2,58 до 3,12 метров в секунду.

Расчеты траектории полета также предполагали угол запуска в 45 градусов, низкое сопротивление воздуха и сохранение скорости движения между прыжками, поэтому точные значения остаются неопределенными.

Результаты подтверждают наземный путь взлета, при котором ноги набирают скорость до того, как в дело вступают ограниченные взмахи крыльев. Они не исключают подъема, планирования или других способов запуска.

Тем не менее, многократные прыжки могут представлять собой переходный этап между бегом динозавров и современными птицами. Эта стратегия могла уменьшить необходимость в взрывном одиночном прыжке, который многие птицы используют сегодня.

Возможно, археоптерикс не мог взлететь за один прыжок, но короткая серия прыжков могла придать его крыльям достаточную скорость для выполнения этой задачи.