Книга: Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли
Назад: 1. Шестое, седьмое и другие чувства
Дальше: 3. Кто делает погоду?

2. Сто попыток взлететь до братьев Райт и Можайского

Чайка благородных кровей
23 июня 2014 года. Битый час мы шагаем в направлении Северного полюса. Преодолено огромное расстояние… километр или чуть больше. До полюса осталось 2150 километров. По счастью, нам туда не надо. То, ради чего мы забрались в тундру на северо-востоке Якутии, находится гораздо ближе: метрах в сорока. Но под ударами снежных зарядов, перемежающихся обжигающими вспышками незаходящего солнца, по пояс в талой воде, на бугристой ледяной поверхности разница между десятками метров и тысячами километров перестает ощущаться. И, сжалившись, наша цель сама взлетает навстречу: в небольшом опрокинутом ярко-голубом колодце, в глубине облаков на миг возникает бело-розовое видение, вспыхивающее особенно ярко в луче наведенной на него световой пушки — солнце в очередной раз пробило темень туч…
23 июня 1823 года такое же видение над островком Иглулик, расположенным на той же широте 70°, что и мы ровно 191 год спустя, но по другую сторону от Северного полюса, наблюдал Джеймс Кларк Росс, гардемарин флота Его Величества. Будущий контр-адмирал, первооткрыватель северного магнитного полюса и обширных площадей Антарктиды забрался в поисках Северо-Западного прохода — кратчайшего пути из Атлантического океана в Тихий — в узкий, загроможденный льдами пролив, называемый ныне именем бомбардирских кораблей «Фьюри» и «Хекла», один из которых шел под командованием Росса. Новый вид птицы получил имя чайки Росса, или розовой чайки…
Она действительно розовая и, облетая нас, позволяет рассмотреть себя со всех сторон: белая с розовым отливом головка, нежно-розовая грудка и яркое брюшко. Все это дополняется сизым оперением спинки и крыльев, блестящими карминовыми лапками, красно-желтыми бусинками глаз, изящным черным клювиком и тонким ожерельем на шее, тоже черным. По-якутски эту птицу называют «чэке», что значит «красивая» или «хорошенькая», если речь идет о девушке, но это и игра слов — звукоподражание чаячьему крику. Цвет оперения указывает на некоторое отношение розовой чайки к другой прекрасной птице — фламинго. Они не родственники, но едят сходную пищу — мелких рачков. С пищей и приобретают красящие пигменты. Рачков чайка добывает, конечно, не в тундре, а в северных морях, где ее чаще всего и встречали. Без такой подпитки птица к концу гнездового периода выцветает. Теряют розовый оттенок и музейные шкурки. Неудивительно, что через несколько лет к типовым образцам, доставленным в Эдинбург Россом, стали относиться с подозрением: «А была ли чайка розовой?..» Согласно легенде, корабль Росса вмерз в лед, капитан вынужден был провести две зимовки в Арктике, и лишь когда над мачтами пролетела розовая чайка, льды расступились.
Розовая чайка атакует, защищая свое гнездо. Ресурсный резерват «Кыталык», Якутия
В 1881 году шедшая к Северному полюсу яхта «Жаннетта» под командованием Джорджа Де-Лонга была раздавлена льдами, одним из спасшихся членов экипажа оказался натуралист Реймонд Ньюкомб. С собой он взял три шкурки розовой чайки и дневник экспедиции со словами: «Вид этот самый прекрасный из всех, что я когда-либо видел». А в 1893 году парусно-моторная шхуна «Фрам» путешественника и биолога Фритьофа Нансена, стремившегося покорить полюс, застыла во льдах, но экипаж под его руководством дошел до Шпицбергена. Среди вынесенных на руках коллекций были восемь тушек розовой чайки и журнал полярного исследователя с записью от 3 августа: «…Редкий таинственный обитатель неизведанного Севера, которого видели лишь случайно и о котором никто не знает, откуда он появляется или куда исчезает, который всецело принадлежит миру, доступному лишь воображению…»
Мы потихоньку продвигаемся в ту сторону, откуда взлетела наша сопровождающая и куда она уже вернулась, присев и сложив крылья: на небольшой сфагновой кочке расположено ее гнездо — гнездо розовой чайки…
Впервые гнездовья легендарной птицы открыл мировой судья Сергей Бутурлин, в 1905 году направленный Министерством внутренних дел (в наши дни его функцию выполняет Министерство природных ресурсов и экологии) в качестве уполномоченного по снабжению продовольствием Колымского и Охотского краев. В тот год японский флот блокировал подходы к дальневосточным портам России, и правительство искало новые пути снабжения отдаленных земель. Бутурлин установил, что перебои со снабжением в большей степени являются результатом деятельности, точнее, бездеятельности местных чиновников, жадных и непрофессиональных, притесняющих коренное население — якутов, юкагиров, ламутов. Уполномоченный наблюдал не только за состоянием дел, но и за малоизученной природой тундры. Он нашел колонии розовых чаек, описал их брачные игры, птенцов, разнообразие голосовых сигналов. «Самец всячески выражает самке свою нежность, то как-то поклевывая или почесывая ей шею открытым клювом, то время от времени начинает похаживать перед ней взад и вперед, несколько выпячивая зоб, и затем с какой-то трелью или трещанием „трррр“ наклоняет совершенно переднюю половину туловища к земле (точнее, ко льду или снегу), поднимая высоко вверх заднюю половину с хвостом и сложенными крыльями, и продолжает эту пантомиму несколько секунд…» — сообщал будущий всемирно признанный ученый. В декабре того же 1905 года, пока Бутурлин пребывал в Якутии, его сенсационное открытие бурно обсуждалось на заседании Британского орнитологического клуба, а вскоре известный журнал «The Ibis», и сейчас являющийся ведущим периодическим изданием орнитологов, опубликовал его статью. В ней Бутурлин сообщал, что птица, вероятно, гнездится по всей восточносибирской тундре…
В одном из таких уголков тундры — на левобережье Нижней Индигирки, принадлежащем якутскому ресурсному резервату «Кыталык», мы сейчас и находимся. И если бы не Сергей Слепцов, орнитолог из Института биологических проблем криолитозоны СО РАН (Якутск), не видать бы нам необычной чайки. Он забрался сюда еще по снегу и льду — в конце мая — и выискал несколько гнезд. «Розовая чайка, в отличие от многих других птиц, редко гнездится на одном месте, — рассказывает Слепцов, пока мы проветриваем носки и болотники на относительно сухом бугорке, среди еще голых стволиков карликовой березки. — Потому ее так редко и находили. Сегодня она облюбовала кочку здесь, на следующий год — в трех сотнях километров западнее или восточнее или вообще не прилетела».
Наша чайка (или это уже не она? — самка и самец сидят на гнезде попеременно, а опереньем они похожи) спокойно согревает пару будущих птенцов буквально на соседней кочке, метрах в пятнадцати от нас. Она выбрала удачное место — среди болота, на нейтральной полосе между владениями двух пар стерхов, больших грозных птиц, которых боятся даже очень крупные серебристые чайки, поморники и песцы — главная угроза яйцам и птенцам в тундре. А ближайшие семьи сапсанов и мохноногих канюков устроились далеко отсюда, по другую сторону большого мерзлотного бугра — булгунняха. Еще один добровольный страж — соседка, полярная крачка. Если что, она первая взмывает в воздух, мельтешит крыльями, поднимает крик и отвлекает внимание. (Издалека этих похожих по размеру и характеру полета птиц легко можно перепутать и свернуть совсем не там; лишь приблизившись к гнезду вплотную, понимаешь, что это совсем не та кочка и зря бродил по болоту лишних два часа.) Где бы ни гнездились розовые чайки — в якутской тундре, на Аляске или в Гренландии, по соседству всегда устраиваются полярные крачки, а ведь прибывают они с зимовий из Антарктики.
Да и сама розовая птица, случись что, за себя постоит. Вот и сейчас, стоит показаться на границе ее территории серебристой чайке, самец и самка решительно бросаются на нарушительницу. Маневренная розовая пара гонит недруга, чувствительно долбя его в затылок и заставляя снижаться до самой воды. Серебристая вынуждена ретироваться, при том что масса ее — полтора килограмма против всего 140–190 граммов у розовой. Сама розовая чайка ведет себя очень благородно: в отличие от сородичей чужих яиц и птенцов не таскает. Кормится в тундре мелкой рыбешкой вроде девятииглой колюшки, застрявшей в мелеющих лужах, улитками, водными жуками и другими насекомыми, включая личинок двукрылых. Ими же выкармливает птенцов, за что ее нужно благодарить особо: когда потеплеет, эти смешно изгибающиеся в каждой луже «червячки» превратятся в совсем не смешные тучи кусачих существ, куда более грозные, чем июньские снежные тучи.
Натягивая сапог, долго прыгаю на одной ноге в попытке сохранить равновесие: болото — не бездонное, но очень уж мокрое. Чайка розовым вихрем вспархивает и, сделав разведочный круг, резко атакует, просвистев на скорости 50 километров в час у правого виска с криком, похожим на каратистское «кья». Затем начинает новый заход. И снова, и снова… В вышине появляется самец, спешащий на помощь боевой подруге. Держу у лица камеру — не столько для того, чтобы запечатлеть их пируэты, сколько затем, чтобы прикрыть лицо, и инстинктивно приседаю. Что снимает камера, не вижу, лишь жму на кнопку спуска. Только в палатке, «проявив пленку», обнаруживаю розовое существо, распластанное во весь кадр с широко разинутым клювом…
Американские бердвотчеры и таким кадрам позавидуют. Хотя и российские, и канадские орнитологи отмечают, что розовые чайки совсем нередки: только на северо-востоке Якутии их гнездится 45–50 тысяч пар. Начиная с 1970-х годов эти птицы расширяют ареал — сооружают гнезда на Таймыре, в Чаунской низменности на Чукотке, на Шпицбергене и северо-востоке и западе Гренландии, на севере Аляски и даже в континентальной Канаде (провинция Манитоба), но все это происходит там, куда добираться и накладно, и просто очень тяжело. Поэтому каждое появление заветной чайки в доступных местах, вроде Массачусетса или Небраски, вызывает перемещение сотен людей по всей Северной Америке, а фотографии расплывчатого розового пятна на горизонте с обширными комментариями размещают ведущие газеты США и Канады…
И при таком пристальном внимании к ее особе до сих пор доподлинно не известно, где розовая чайка проводит зиму. Да, более тысячи особей этого вида видели за раз на паковых льдах между Шпицбергеном и Землей Франца-Иосифа, но то были молодые, неполовозрелые чайки, и далеко не зимой. Наблюдали их в Беринговом и Охотском морях. И все равно таинственная птица отчаянных полярных путешественников продолжает хранить тайны… подобно многим другим летающим существам на Земле.
Летучие отряды
Несомненно, что все, кто вышел на сушу, рано или поздно начинал тянуться вверх, вплоть до полного отрыва от этой самой суши. К этому располагал второй океан Земли — воздушный. Сравнение атмосферы с Мировым океаном напрашивается не случайно — это довольно плотная и влажная среда, обладающая вязкостью, вполне достаточной, чтобы «поплыть» в ней, то есть взлететь. Потому и некоторые рыбы летают в воздухе, используя привычные для плавания движения, а птицы плавают под водой, будто продолжают полет.
В воздушном океане есть свой планктон — те, кто парит, используя лишь свойства самой атмосферы и естественные, циркулирующие в ней потоки (например, пыльца растений и яйца тихоходок, которые размером и шипастой поверхностью схожи с пыльцой). Есть свой нектон — активно летающие животные. И даже свой бентос — обитатели суши. Теоретически можно было бы представить, что со временем в атмосфере заведется и свой супернектопланктон, вроде китов. Таких воздушных левиафанов вполне по силам создать колониальным бактериям: представьте себе «шкуру» из цианобактерий, поглощающих энергию солнечных лучей, и «внутренности» из бактериального сообщества, выделяющего азот или водород. Поскольку любой из этих газов легче воздуха, являющегося в основном смесью кислорода и того же азота, такой «кит» парил бы в облаках и поглощал воздушный планктон, подпитывая этой пищей свои «внутренности». Появлению суперорганизмов мешает лишь главное отличие воздушного океана от водного — незначительная концентрация живого вещества, даже если брать в расчет явления, подобные массовым перелетам саранчи в поисках пищи или сезонным миграциям птиц и некоторых бабочек.
Наземный мир триасового периода (248–205 миллионов лет): одно из первых летающих позвоночных — шаровиптерикс — садится на араукарию, где расположилось примитивное трехбугорчатое мл екопитающее; внизу растут древовидный плаун циломея и саговник, среди которых затаились представители архозавров (огромный фитозавр), парарептилий (ящерицеподобный проколофон) и зверообразных рептилий (дицинодонт), а также крупные насекомые — перепончатокрылое, палочник и мезотитанида. Художник Анастасия Беседина
Среди организмов, соприкасающихся с атмосферой, взлететь попробовали практически все: растения (в виде семян и пыльцы), пауки, насекомые, головоногие моллюски, рыбы, лягушки, змеи и ящерицы, птицы и млекопитающие (летучие мыши, шерстокрылы, а также отдельные освоившие планирование грызуны, сумчатые, вымершие харамииды и триконодонты), а также несколько полностью вымерших, довольно значительных в свое время, групп заправских летунов, относящихся к рептилиям. Из всех, кто вышел и выполз на сушу, взлететь не рискнули лишь кольчатые черви да улитки. Наверное, слишком малая стартовая скорость.
Конечно, не все организмы освоили воздушную среду в равной степени. Среди современных лягушек, ящериц и змей это единичные виды, вынужденные приспособиться к жизни в кронах высоко вознесшихся тропических лесов Юго-Восточной Азии. Спускаться оттуда на землю — себе дороже. Вот и парашютируют веслоногие лягушки (Rhacophorus), растопырив пальцы с сильно развитыми плавательными перепонками и раздув тело; ящерицы летучие драконы (Draco) — с помощью широких боковых кожных складок, поддерживаемых расправленными в стороны удлиненными и свободно сочлененными ребрами; а украшенные древесные змеи (Chrysopelea), — сплющивая длиннющее тело и сильно втягивая живот между жесткими килями, образованными чешуями. Перед прыжком змея сжимается в спираль, словно пружина, а затем, распрямившись, выбрасывает себя в воздух, подобно бамбуковой стреле, пущенной из лука. Спрыгнув с высоты всего полтора метра, безногое пресмыкающееся улетает на 6,5 метра. Летучие драконы проплывают по воздуху до 30 метров, способны менять направление полета и даже охотиться на ходу.
Летучие рыбы представляются экзотикой только жителям Северной Европы и Азии. Более 60 их видов летают над поверхностью Атлантического, Индийского и Тихого океанов по всему экваториальному поясу. Самая большая — полуметровая гигантская летучая рыба (Cheilopogon pinnatibarbatus), мелочь дорастает лишь до 15 сантиметров. Наиболее примечательная черта таких летунов — развитые грудные плавники, сопоставимые по размерам с телом. Учитывая, что эти рыбы живут исключительно в самых теплых областях Мирового океана (при температуре не ниже 20 °C), можно предполагать, что без хорошего разогрева летать они не смогли бы. Влияет на полетные качества и высокая скорость движения. Ну и конечно, конструкция — значительный объем тела занимает полый плавательный пузырь; нижняя хвостовая лопасть представляет собой усиленную конструкцию (нечто вроде дополнительного винта), обтекаемое тело — «фюзеляж», а плавники — «несущие поверхности». Среди таких рыб есть не только двукрылые, но и бипланы. У них, кроме грудных «летательных» плавников, развиты брюшные. Набрав скорость 30 километров в час, рыба выскакивает на поверхность и ударами хвостовой лопасти продолжает разгон до 75 километров в час, отрывается от воды и, расправив «крылья», пребывает в воздухе до 30 секунд, преодолевая до 400 метров. Интересно, что и ловят их нередко, растягивая сети над, а не под водой. Вопреки распространенному мнению «очевидцев», плавниками рыбы не машут. Взлетают рыбы, спасаясь от хищников. И происхождение таких рыб (первые из них, неродственные современным, появились в триасовом периоде) связывают с усилившимся давлением хищников, возросшим в мезозойских морях. Навыки передвижения в водной стихии используют для полета и кальмары семейства оммастрефиды: выпрыгивая из моря и выталкивая воду через узкую воронку из мантийной полости, эти головоногие моллюски создают реактивную тягу, затем расправляют плавники и перепонки между щупальцами, словно крылья, выдавливают остатки жидкости и планируют над поверхностью. За три секунды они улетают на 25–35 метров и скрываются от преследователей — тунцов или дельфинов.
Пауки-волки и некоторые клещи — единственные среди животных, не считая человека, кто взмывает в небо с помощью дополнительных конструкций. Осенью молодь пауков образует многомиллионные скопления, и, чтобы не мешать друг другу добывать пищу после зимней спячки, в ветреную погоду они влезают на высокие травинки или ветви деревьев, распускают легкую шелковую паутинку, разжимают лапки и разлетаются на сотни километров. Многие мелкие организмы перелетают с места на место, используя транспортные средства — летающих животных. Например, вместе с мезозойскими птерозаврами в воздухе оказались удивительные проблохи: заврофтир (Saurophthirus) и страшила (Strashila), открытые известными энтомологами Александром Пономаренко и Александром Расницыным из Палеонтологического института РАН. Проблохи приспособились не отрываться от еды во время перелетов: впивались в нежные, пронизанные многочисленными тонкими сосудами перепонки летающих ящеров и, расставив длинные лапки с цепкими коготками на кончиках, отправлялись в небо…
Планеры с грядки
Первыми воздушную среду, вероятно, освоили планктонные бактерии и одноклеточные водоросли. И сейчас они составляют довольно существенную массу летающей живности, поскольку благодаря мелким размерам поднимаются в воздух не только во время бурь и ураганов, способных вознести целые косяки рыб или стаи жаб, но и вместе с испаряющейся водой. Ведь те, кто имеет приспособления для парения в воде, готовы воспарить и в воздух…
Люди обращали внимание на подобных летунов лишь в особых случаях. Библия и средневековые летописи упоминали необычные «кровавые» дожди, льющие с неба в «знак Божьего гнева», после чего следовали расправы с еретиками и прочими неверными. Лишь в 1870 году, когда «кровавый» дождь оросил Рим, ученые воспользовались редкой возможностью рассмотреть под микроскопом, что там внутри капель. Оказалось, что каждая капля буквально нашпигована мириадами шаровидных жгутиковых водорослей, названных теперь — Haematococcus pluvialis , с красным пигментом астаксантином. Правда, сама водоросль относится к зеленым, поскольку наряду с этим пигментом содержит и зеленый, являющийся у нее основным фотосинтезирующим компонентом.
Цветные дожди вполне могли пойти уже 545 миллионов лет назад, когда в морях изобиловали мелкие, менее 0,1 миллиметра в диаметре, водоросли акритархи (вероятно, древние родственники зеленых водорослей) с различными шипами и оторочками на оболочке клетки. Примерно тогда же появились очень странные организмы кохлеатины (Cochleatina), имевшие вид плотно свернутых спиралей миллиметрового размера. Вероятно, они представляли собой органы размножения водорослей. Эти эластичные пружинки могли действовать подобно катапульте, выстреливая спорами, но такое действо возымело бы смысл только на воздухе. Ныне с помощью собственной «катапульты» разбрасывают споры сфагновые мхи. У мхов споры сидят в шаровидной коробочке с крышечкой. По мере созревания коробочка усыхает, а давление находящегося в ней воздуха возрастает, достигая почти четырех атмосфер (в два раза выше, чем в покрышке автомобиля). Затем крышечка отстреливается, и сжатый воздух выталкивает споры на расстояние до двух метров. Если учесть, что размеры «орудия» не превышают миллиметра, то результат можно считать превосходным. Среди современных растений немало и других бомбардиров, стреляющих даже на 12 метров, их семена разлетаются со скоростью почти 10 метров в секунду. Но это еще не освоение воздушной среды.
Растения изобрели множество приспособлений, пригодных для долгих перемещений на огромные расстояния, такие, как летающие плодики одуванчика. Эти белые парашютики не опадают сразу по мере созревания, а дожидаются хорошего ветра, чтобы дальность полета была наибольшей. Растение буквально оценивает состояние погоды — относительную влажность воздуха, температуру и силу ветра. Парашют очень удобен и для приземления: плод всегда опускается вертикально вниз, и всхожесть семян увеличивается. Не случайно одуванчики первыми завоевывают пустоши, образующиеся в городах благодаря деятельности человека. Парашют — не единственное средство полета. Лиана занония (Zanonia) использует для распространения семян летающее крыло шириной 14–16 сантиметров. Описывая в воздухе большие круги, оно плавно и неспешно опускается на землю, но, будучи подхвачено порывом ветра, улетает далеко от материнского растения. Глядя на семя занонии, богемские изобретатели Игнац и Иго Этрих построили в 1906 году весьма удачный вариант планера для человека. А плодик-крылатка клена устроен таким образом, что, падая, вращается вокруг центра тяжести (там расположено семя) подобно лопасти вертолета. Легкого дуновения достаточно, чтобы крылатка улетела на сотню метров — расстояние, превышающее ее длину в 5000 раз.
Все рекорды по дальности полета бьет пыльца хвойных и покрытосеменных деревьев, легко преодолевая расстояния в десятки и сотни километров. Благодаря исключительно малой массе при относительно большой площади поверхности пыльца поднимается на высоту двух километров, а то и на шесть и так путешествует по нескольку дней. Даже при полном безветрии пыльца березы будет опускаться с такой высоты 66 часов: настоящий воздушный планктон. Однако и она покажется гигантом рядом с пыльцевым зерном орхидеи — полмиллиона малюток весят всего грамм. И это не предел: для того чтобы собрать тот же грамм грибных спор, их понадобится 20 миллиардов, поскольку каждая не превышает 0,005 миллиметра в поперечнике. С шестикилометровой высоты крошка снижается не менее полумесяца при полном штиле. А сколько она может «прожить» в атмосфере в ветреную погоду?
Не удивительно, что в истории наземных растений важную роль сыграли именно ветроопыляемые формы. Правда, появились они далеко не сразу. Возможно, что развитие летающей пыльцы с полыми пыльцевыми мешочками происходило параллельно в нескольких группах растений, давших древесные формы к концу девонского периода. Ветром разносимая пыльца существовала в середине каменноугольного периода у древних голосеменных — некоторых цикадопсидов и кордаитов. У кордаитов, а также первых, каменноугольных, хвойных (Walchia) были и семена-крылатки. Но те пыльца и семена еще не отличались высокими полетными характеристиками. Лишь с распространением хвойных и особенно цветковых растения по-настоящему освоили воздушную среду. Произошло это в течение мезозойской и кайнозойской эр.
Разбор полетов
Однако настоящими летунами следует считать насекомых, птиц, летучих мышей и вымерших крылоящеров. Именно благодаря окрыленности эти группы достигли огромного разнообразия, приобрели множество необычных поведенческих навыков и отвоевали значительное пространство под солнцем.
Насекомые учились летать одновременно с растениями. Именно им принадлежит первенство в создании совершенных летательных аппаратов. Уже в самом начале каменноугольного периода насекомые окрылились. Ведь первые из них — в предшествовавшем девонском периоде — были первично бескрылыми формами, подобными современным щетинохвосткам — мелким, невзрачным, похожим на шестиногих многоножек существам. Как, собственно, появились первые летчики-шестиножки, остается загадкой. Поскольку жизнь множества нынешних насекомых протекает в воде (там развиваются личинки), одно время считалось, что крылья развились из жабр или дыхательных придатков ножек, которые эти насекомые использовали, чтобы парусить вдоль поверхности или даже грести ими. Однако водная жизнь этих существ во многом вторична. Так, у всех современных стрекоз личинки растут в воде, но в каменноугольном периоде они бегали по суше. Согласно другим представлениям, древние мелкие насекомые могли использовать выросты головогрудного сегмента тела, чтобы с их помощью планировать. Однако планирующий полет вряд ли мог преобразоваться в машущий, поскольку не способствует развитию каких-либо подвижных органов. Чем и зачем насекомым нужно было махать, чтобы в конце концов взлететь?
Многие насекомые являются существами, весьма зависимыми от солнца. Им необходим внешний нагрев, чтобы утром возвратиться к жизни после ночного оцепенения. Выползая на кончик тонкой веточки, чтобы подставить тело первым лучам светила, древние насекомые могли ускорить прогрев, совершая машущие движения пластинчатыми выростами на грудном отделе. Вероятно, изначально такие телодвижения понадобились для другой, даже более важной, функции: в конце девонского периода уровень кислорода в атмосфере сильно упал, соответственно понизилась и плотность воздуха, а жизнь насекомых зависит от давления в дыхательных трубочках — трахеях. Вот и приходилось им нагнетать грудными выростами дополнительные объемы воздуха в дыхальца, чтобы продышаться. Поэтому, наверное, у палеозойских стрекоз, поденок, а также вымерших паолиид и диктионеврид (крупных насекомых с колющим хоботком) даже личинки обладали подвижными выростами грудного отдела, на что обратила внимание палеоэнтомолог Ярмила Кукалова-Пек, работавшая в Карлтонском университете в Оттаве. Дальнейшая эволюция могла пойти в сторону удлинения таких лопастей и увеличения их поверхности. Так и появились машущие крылья. Вымершие каменноугольные и пермские диктионевриды еще сохраняли три пары пронизанных жилками и покрытых щетинками крыловидных выростов, но двигались только две последние из них. Настоящие крылья у всех насекомых располагаются на втором и третьем сегментах груди.
Далее стремительному взлету насекомых способствовал резкий подъем уровня кислорода — не менее 30 процентов — в каменноугольной атмосфере (сейчас 21 процент). Поскольку содержание азота оставалось неизменным, возросло атмосферное давление. Повысились плотность, вязкость и скорость перемешивания газовых молекул. Надышавшись вволю, летающие шестиножки размахнули крылья на 40–70 сантиметров. Большая плотность воздуха обеспечила им достаточную подъемную силу и условия для полета. Ведь машущий полет требует постоянного и скорого обновления кислорода в организме. А подросшие деревья обеспечили надежную стартовую площадку для покорения воздушного пространства: не нужно было тратить дополнительные усилия на преодоление силы тяжести.
От древнейших летающих насекомых, появившихся около 325 миллионов лет назад, — каменноугольных паолиид — ничего, кроме крыльев (в мелкую неправильную сеточку), и не сохранилось. У всех насекомых, впервые освоивших полет, крылья не складывались, как у больших стрекоз. С такими крыльями трудно было спрятаться и можно было улететь, даже помимо своего желания, с порывом ветра. На первых порах использовались все четыре крыла. Сейчас так летают выжившие с тех пор сетчатокрылые (ныне их представляют златоглазки и муравьиные львы), скорпионницы и ручейники. Тело, скажем у муравьиного льва, висит в воздухе почти вертикально, а крылья двигаются перпендикулярно оси тела с низкой частотой биений. Передние крылья машут как бы независимо от задних, и образующиеся две пары завихрений вынуждают насекомое постоянно проваливаться в воздушные ямы, описывая синусоиду. Чтобы избавиться от паразитных вихрей, нужно было отказаться от «лишней» пары крыльев или превратить их в единую несущую плоскость с передними.
Этим путем и пошла дальнейшая эволюция насекомых. Но заняла дорога «технического прогресса» сотни миллионов лет. А пока можно внимательнее присмотреться к такому удивительному органу, как крыло насекомых: в отличие от крыльев других летающих животных в нем нет мускулов. Это двуслойный вырост грудной части внешнего скелета, пронизанный жилками, по которым течет гемолимфа (аналог крови, содержащий дыхательные пигменты), обеспечивающая их упругость, проходят нервы и трахеи. Такая конструкция сочетает возможности рычага (передает усилия грудных мышц всей маховой поверхности), несущей плоскости (создает подъемную силу, уравновешивающую вес насекомого, и толкают тело вперед) и подвесного моста (может сильно гнуться, не разрываясь на части, а также изменяет угол атаки, сохраняя его положительным). Именно благодаря сгибаниям при взмахе крыло накапливает упругие силы, возвращающие его в исходное положение без лишних затрат энергии. Подобный механизм гораздо экономичнее любого из созданных человеком летательных аппаратов, но, увы, неповторим в доступных пока людям материалах.
При перераспределении основной моторной функции на задние крылья маховый цикл начинается с их открытия. Возникающий вихрь приводит к образованию под ними области пониженного давления, которая препятствует образованию вихря за передними крыльями. Не удивительно, что среди насекомых появилось множество заднемоторных: тараканы, прямокрылые, палочники и вымершие тараканосверчки. Большинство из них существуют около 330 миллионов лет. Передние крылья этих насекомых превратились не просто в несущую плоскость, но и в плотную защитную оболочку, когда они в сложенном виде закрывают нежное брюшко и задние крылья. Эти насекомые питаются растительной пищей — низкокалорийной и ядовитой, поэтому у них довольно объемный кишечник, перенос которого по воздуху требует изрядных затрат энергии. Как следствие, среди них нет искусных летунов, хотя саранча и перемещается на значительные расстояния. Жуки, у которых передние крылья преобразованы в плотные щитки-элитры, тоже относятся к заднемоторным насекомым. Они вознеслись в небо в пермском периоде.
Весьма необычные способности выработались у стрекоз — одной из древнейших групп насекомых. У них хорошо разработана продольная мускулатура груди, благодаря чему каждое из четырех крыльев может двигаться независимо от остальных. Эти прожорливые хищники легко маневрируют и, не меняя положения тела, перемещаются и вбок, и задом наперед. Да и разворачиваются они в три-четыре раза быстрее, чем, например, жуки. Правда, пируэты требуют постоянных энергетических затрат, вот и мечутся коромысла над гладью озер, расставив свой ловчий сачок из лапок для поимки зазевавшихся дальних родственников — бабочек, мух, даже других стрекоз. Более молодые в эволюционном отношении стрекозы красотки и стрелки перешли на двукрылый полет, взмахивая лишь задними крыльями.
Наилучшие летуны появились среди самых молодых групп. Точнее говоря, совершенные формы полета породили эти новые группы — перепончатокрылых (осы, пчелы, наездники, муравьи), бабочек и их близких родственников двукрылых (мухи, комары, москиты). Появились они в мезозойскую эру, а наиболее продвинутые формы — в кайнозойскую. Все эти насекомые по своей природе — двукрылы и летают, расположив тело под острым углом к поверхности земли. У них либо существенно сократились размеры задних крыльев (у настоящих двукрылых превратившись в жужжальца — орган ориентации в пространстве), либо обе пары слились в единую несущую плоскость. Одни бабочки ведут преимущественно дневной образ жизни. Благодаря большой площади крыльев и чешуйкам, быстро нагревающимся в солнечных лучах (до 37–45 °C) они парят в теплых восходящих потоках и могут перелетать на огромные расстояния во время сезонных миграций. Другие предпочитают сумеречное время и прогреваются сами за счет высокой частоты взмахов; бражники способны даже зависать над цветком, высасывая нектар без посадки.
Так же неподвижно «застывают» в воздухе двукрылые. При высокой частоте взмахов (до 340 герц, а возможно, и больше) они летают и вбок, и задом наперед, совершают кульбиты, пролетая вверх ногами и садясь на поверхность снизу. Причем все маневры совершают за считанные миллисекунды. Среди прочих «технических» достижений двукрылых следует назвать относительную независимость левого и правого крыльев (одно может совершить полный маховый цикл, а другое замереть), автоматический контроль угла атаки и активную регулировку площади крыльев. В освоении воздушного пространства с ними могут сравниться разве что перепончатокрылые, тоже машущие с частотой более 60 герц. Самое удивительное, что согласно классическим законам аэродинамики шмели к полету совершенно не приспособлены, а они — одни из лучших летунов! Полет у этих групп — очень энергоемок, поэтому все они перешли на высококалорийную пищу — нектар, растительные соки и кровь.
Иначе освоили воздушное пространство мельчайшие из летающих насекомых — некоторые жуки, осы и трипсы. У них крылья утратили сплошность, но зато покрылись опушкой из волосков. Эти насекомые больше полагаются на плотность воздуха, чем на собственные силы, представляя собой настоящий воздушный планктон.
Являясь важнейшим органом насекомых, крылья используются не только в полете, но и для подачи звуковых сигналов, демонстрации себя партнеру (особенно яркие цветастые крылья бабочек и крупных юрских сетчатокрылых) и терморегуляции. Летая, насекомые отыскивают корм (в среднем на расстоянии от 200 до 2000 метров), партнера (нередко и копуляция происходит на лету в прямом смысле этого выражения: у бабочек голубянок и комаров самка тащит «лениво» замершего самца), патрулируют территорию (охраняя ее от других самцов, особенно у стрекоз), выбирают место для откладки яиц или спасаются от врага. Особые навыки требуются при полете роем — координация поведения множества особей достигается благодаря зрительной засечке какого-либо заметного ориентира на местности. Некоторые насекомые, подобно птицам, совершают длительные миграции. Сочетая активные перелеты и пассивные переносы восходящими потоками воздуха, они перемещаются до 100 километров в день (саранча), а то и до 3,5 тысячи километров за 10 ночей со скоростью 1,4 метра в секунду (бабочки-совки). Самый знаменитый мигрант — бабочка-монарх — преодолевает четыре тысячи километров дважды в год. Обычно в дальний путь насекомые направляются сообща. Так, на юге Франции стрекозы сбиваются в стаи, насчитывающие около 400 тысяч особей на квадратный километр.
Рожденные ползать
Отстав от насекомых более чем на 120 миллионов лет, на крыло встали и позвоночные. Видимо, крупные палеозойские насекомые были слишком опасными конкурентами. И сейчас богомолы (карлики по сравнению с хищными пермскими стрекозами) запросто справляются с ящерицами своей размерности. Однако и добыча — крупное насекомое — завидная. Так почему бы не ловить их в воздухе? И в самом конце пермского — начале триасового периода самые разные позвоночные попробовали летать. Интересно, что один из первых среди них — позднепермский архозавр целурозаврав (Coelurosauravus) из Германии, внешне немножко похожий на хамелеона, — в полете расправлял тонкие перепонки, поддерживаемые палочковидными окостеневшими кожными выростами. Такие выросты настолько необычны для позвоночного, что их даже сначала приняли за плавники кистеперой рыбы, окаменевшей рядом. Более всего они напоминают перепончатые крылья насекомых. Уж не у них ли подсмотрел конструкцию первый летающий ящер?
«Выдумкой» отличались и другие первые покорители воздушного океана среди рептилий — то есть тех, кто по определению «летать не может». Триасовый шотландский 20-сантиметровый архозаврик склеромохл (Scleromochlus) жил на деревьях; это существо с очень тонким скелетом и длинными задними ногами, возможно, продлевало прыжок с ветки на ветку благодаря боковой складке кожи, как у современного летающего дракона. Другой архозавр — шаровиптерикс (Sharovipteryx), растягивая между лапами и телом все свои перепонки, уподобился дельтаплану. Он планировал над озерами нынешней Киргизии. По соседству жил мелкий архозавр лонгисквама (Longisquama), с треском раскрывавший широкие и длинные (10–12-сантиметров) спинные выросты, чтобы подольше продлить прыжок. Когда странные выросты были изучены с помощью новейшей техники, то оказалось, что это самые настоящие перья (полый стержень с опахалом). Однако ни перья, ни само это животное не имели никакого отношения к птицам, появившимся совершенно независимо и… не раз!
Череп птеродактиля из семейства анхангериды Ludodactylus. Длина черепа 0,7 метра (предоставлено Эбертом Вруну Кампошем)
Реконструкция скелета одного из самых крупных летающих ящеров — Tropeognathus из семейства анхангериды. 8,3 метра в размахе крыльев
Череп птеродактиля из семейства аждархиды Thalassodromeus. Длина черепа 1 метр (предоставлено Эбертом Вруну Кампошем) Раннемеловая эпоха, 120–100 миллионов лет; Сантана, Бразилия
Но прежде птиц воздушное пространство завоевали настоящие летающие ящеры — птерозавры…
Шел 1828 год, когда собирательница ископаемых Мэри Эннинг обнаружила в юрских слоях на английском побережье Ла-Манша остатки первого птеродактиля. Ученые долго не могли взять в толк, с чем, собственно, имеют дело. Возобладало мнение, что с необычной летучей мышью или летающим сумчатым млекопитающим. Лишь великолепно владевший сравнительной анатомией зоолог и палеонтолог Жорж Кювье доказал, что странный скелет принадлежал представителю полностью вымершей группы летающих ящеров. С тех пор выяснилось, что это была огромная группа активных летунов, появившихся в триасовом периоде и просуществовавших до конца мелового (225–66 миллионов лет назад).
И сто лет спустя после работ Кювье птерозавров нередко представляли подобно летучим мышам — с перепонками, растянутыми между фалангами пальцев. А ведь то были совершенно иные звери. Крыло птерозавра действительно представляло собой кожистую перепонку, но крепилась она на одном из пальцев кисти — толстом летательном (четвертом), превышавшем в длину все тело (первые три коротких пальца оканчивались когтями, пятый — исчез совсем). Задний край перепонки доходил до колен у одних видов и до щиколоток у других; кроме того, дополнительные перепонки были натянуты между бедер и хвостом и между основанием шеи и окостеневшим палочковидным сухожилием на запястье — птероидом. В целом конструкция, конечно, больше напоминала крыло летучей мыши, чем птицы, но ее натяжение осуществлялось совсем по-другому: основные плоскости были прошиты, словно дощатый каркас воздушного змея, жесткими и тонкими (0,05 миллиметра) белковыми нитями, по-своему направленными в разных секторах основной перепонки. Натяжение этих волокон придавало всей конструкции необходимую упругость и дуговидный профиль, необходимый для создания подъемной силы.
Кости у крылоящеров были полые, что облегчало вес, но прочными — полость пересекали ребра жесткости; череп — ажурный, по форме — обтекаемый, заостренный и удлиненный. На костях некоторых видов есть форамены. У птиц подобные отверстия указывают на присутствие воздушных мешков: это значит, что в полости костей при вдохе мог закачиваться воздух, который, не утратив кислород, использовался на выдохе, существенно снижая энергозатраты в полете. Строение плечевого пояса птерозавров выдает развитую мускулатуру и способность к машущему полету.
Как и откуда взялись эти совершенные летуны, пока остается для науки тайной, своими корнями скрывающейся в палеозое. Однако проследить эволюционные преобразования можно благодаря находкам многочисленных костей и целых скелетов с минерализованными остатками мягких тканей в верхнеюрских местонахождениях Зольнхофен (Германия) и Каратау (Казахстан), нижнемеловых Лагарсито (Аргентина), Сантана (Бразилия) и Чжэхоль (Китай).
Костные полости птерозавры могли унаследовать от общих предков с динозаврами и птицами. Основная более древняя «модель» — рамфоринхи, существовавшие в триасовом-юрском периодах и самом начале мелового, — представляла собой длиннохвостое существо с короткой шеей и зубастой пастью, в полете находившейся на одной прямой с осью тела. Однако хотя длинный хвост и был хорошим стабилизатором, наличие этого отростка замедляло скорость полета. На рубеже ранне- и среднеюрской эпох появились короткохвостые, беззубые с длинной гибкой (как у лебедя) шеей птеродактили. Часть спинных позвонков у них срослась, а передние ребра неподвижно слились с грудиной, образуя жесткий каркас. К нему в полете был подвешен центр тяжести. У птеродактилей череп стал еще длиннее, но и легче (убавилось число костей), а главное — мозговитей. Этот орган был заметно крупнее, чем у прочих пресмыкающихся сходных размеров, и очень напоминал птичий.
В мозге, изученном благодаря компьютерной томографии костей и отливок мозговой полости нейробиологом Лоуренсом Уитмером из Университета Огайо и его коллегами, особенно выделяются лобные и зрительные доли, мозжечок, парный вырост последнего — клочок (флоккулюс) и лабиринт; обонятельные луковицы, наоборот, не развиты. Строение мозга также указывает на то, что рыло ящера сместилось вниз относительно оси тела и голова обрела подвижность. Крупные флоккулярные лопасти, составлявшие десятую часть объема мозга (у птиц —1–2 процента), развитый лабиринт и зрительные доли свидетельствуют о том, что мозг птеродактиля обрабатывал огромный поток информации, поступавший от глаз, шейной мускулатуры и мышц, связанных с маховыми движениями и натяжением перепонки. Значит, ящеры легко маневрировали в воздушных потоках, ни на мгновение не теряли равновесия, а изображение на сетчатке всегда оставалось четким. Не нужно думать, что ящер, величиной с легкий самолет, на скорости 90 километров в час исполнял петлю Нестерова или бочку — переворот вокруг продольной оси тела (хотя — кто знает? — мозг рассчитать траекторию мог), но спикировать с высоты в сотню-другую метров точно на добычу, как зимняк на лемминга, несомненно, был способен. 3D-пространство, которое представляет собой воздушная среда, всегда требует лучшей координации всех органов, чем 20-поверхность, на которой мы обретаемся (не случайно у многих голова кружится даже в 3D-кинотеатрах и на тренажерах).
К началу мелового периода птеродактили достигли небывалого разнообразия. Самые мелкие весили несколько десятков граммов, по величине не превосходили воробья и, подобные 25-сантиметровому в размахе крыльев немиколептеру (Nemicolopterus), пытались освоить древесный образ жизни. Кецалькоатль (Quetzalcoatlus) и хацегоптерикс (Hazegopteryx), весом не менее 75 килограммов при размахе крыльев 10–12 метров, стали самыми крупными животными, когда-либо поднимавшимися в воздух на собственных крыльях. Только отдельные шейные позвонки некоторых особей превышали в длину полметра. Эти летающие жирафы стали последними в ряду крылоящеров и относятся к семейству аждархид, открытых в Средней Азии ленинградским палеонтологом Львом Несовым. Название самых необычных среди и без того необычных существ он взял из языка фарси, на котором «аждарха» означает «дракон».
Необычные гребни на головах аждархид и некоторых других птеродактилей покрывала сеть кровеносных сосудов. Здесь кровь охлаждалась во время полета. Опыты с моделями ящеров показывают, что гребни могли служить как препятствующий рысканью аэродинамический тормоз, но не слишком надежный. Головы ящеров действительно напоминали по форме носы маневренных самолетов. Могли эти выросты использоваться и как гребешки у птиц, то есть для показа себя во всей красе во время брачных периодов, чтобы привлечь самку и отпугнуть соперника. Особенно разрослись гребни у самцов птеранодонов. Палеобиолог Эберт Бруну Кампош из Параибы не исключает, что эти гипертрофированные выросты (у некоторых крылоящеров они составляли три четверти черепа, а сам череп достигал длины 1,5 метра) могли служить органами слуха, поскольку необходимый набор слуховых косточек у этих животных не обнаружен.
По земле птеродактили ходили, опираясь на задние лапы и на два первых пальца передних (как бегуны-спринтеры на старте). До изучения следов и распределения нагрузок в скелете «спешившегося» птеродактиля считалось, что ящеры передвигались, как птицы, на задних лапах. Таким птеранодон показан в «Парке юрского периода». Лишь палеонтолог, анатом и художник Алексей Быстров, работавший в Палеонтологическом институте АН СССР, изобразил птеродактиля на четвереньках более полувека назад.
Позднеюрские пляжи Астурии испещрены их следами. Туда крылоящеры слетались во время отлива поживиться рыбой и моллюсками. Следы подсказали, что у некоторых ящеров на задних лапах были перепонки, как у лягушек, но служили они, скорее всего, дополнительной летной мембраной, а не для плавания. Хотя на перепонках и по илистой поверхности шагать было удобнее. На взлет они тоже разбегались на четвереньках, как летучие мыши-вампиры. А приземлялись на задние конечности, постепенно опускаясь на все четыре лапы.
Яйца несли в кожистой оболочке, как змеи, а вылупившись, росли очень быстро.
На каком-то этапе своей эволюции птерозавры должны были обрести теплокровность, иначе бы энергозатраты на воздухоплаванье не оправдались. Потреблять кислорода им и так приходилось много: носовые пазухи у некоторых меловых ящеров были просто огромными — занимали более половины боковой поверхности черепа. А на отпечатках перепонок одного из позднеюрских рамфоринхов обнаружились волосовидные утолщения. Из-за них он получил гордое научное название Sorder pilosus, означающее — «нечисть волосатая». Не исключено, что «нечисть» была лысой, поскольку за волоски могли принять белковые нити, укреплявшие перепонку. (Впрочем, какой-то хохолок на голове упрямо продолжал торчать.) Озерно-вулканическое местонахождение Чжэхоль одарило ученых удивительным по сохранности остовом крылоящера чжэхольоптера (Jeholopterus). Уцелели вся его летательная перепонка, натягиваемая сзади вытянутым когтем пальца стопы, и странный, широкий, как у бульдога, череп. Самым поразительным оказалось туловище, покрытое волосовидными выростами, и короткий… пушистый хвост. Неужели все-таки шерсть? Ключ к тайне волосатого монстра, будто сошедшего с афиши фильма о графе Дракуле, покоился там же, на дне озера мелового периода… То была не шерсть, а перья. Настоящие перья… как у динозавров.
В пух и перья
«Вот так бы разбежалась, подняла руки и полетела. Попробовать нешто теперь?» — наверное, подумала первоптица, глядя на снующих в небе птерозавров. Впрочем, так могли думать энанциорнисы, появившиеся не ранее юрского периода, а настоящие птицы, возможно, развивались параллельно с крылоящерами, от древних триасовых архозавров.
У птичьего пера от рогового стержня расходятся ответвления — бородки первого порядка, от них — бородки второго порядка, покрытые мелкими крючками, которые, сцепляясь друг с другом, образуют единую плоскость опахала. Так устроены контурные маховые и рулевые перья, формирующие несущую плоскость крыла. Первые из них также создают тягу, вторые — обеспечивают маневренность. Пуховые перья, не скрепленные бородками, служат надежным теплоизолятором, что необходимо при таком энергоемком типе передвижения, как полет. Контурные перья с опушкой, плотно прилегая друг к другу, придают телу обтекаемость.
Благодаря выпуклому профилю при планирующем полете воздух снизу обтекает крыло по хорде, а сверху по более длинному контуру. Потому над крылом воздушный поток движется быстрее, и под крылом возникает разряжение воздуха: полученная разность давлений создает подъемную силу. В этом механика полета птиц не отличается от таковой у насекомых. Однако взмахивать крылом — как вниз, так и вверх — птице, в отличие от насекомого, приходится за счет собственных мускульных усилий. Когда крыло опускается вниз, его вершина встречает еще наклонный воздушный поток — под углом спереди и снизу. Конец крыла при опускании вниз несколько перекручивается под напором воздуха, и возникает сила тяги, обеспечивающая поступательное пассивное движение вверх. Трепещущий тип полета, которым особенно хорошо овладели зависающие над цветами колибри, достигается частыми взмахами крыльев в горизонтальной плоскости при положении тела под большим углом к земле. Возникающая подъемная сила противодействует силе тяжести. Парение птицы освоили двумя способами — статичным и динамичным. Многие из них, особенно крупные грифы, кондоры, орлы и беркуты, кружат в восходящих потоках воздуха на своих длинных и широких крыльях. Наоборот, узкокрылые альбатросы используют порывы встречного ветра, расправляя крылья ему навстречу. Альбатрос взлетает даже с поверхности воды и поднимается высоко под облака.
Наземный мир мелового периода (142–66 миллионов лет): птеродактиль с кровососом — заврофтиром, пернатые хищные динозавры — синозавроптерикс и авимим, вылупляющийся рогатый динозавр — протоцератопс и сумчатое млекопитающее на ветке гинкго. Художник Анастасия Беседина
Во всех остальных эволюционных преобразованиях птицы уподобились летающим ящерам: приобрели облегченный и одновременно прочный череп и скелет, лишенные зубов челюсти, обтекаемую форму, жесткость туловища, пневматизированные кости, мощную мускулатуру, подвижность шеи (она может поворачиваться на 180 и даже 270 градусов) и мозг, увеличенный за счет определенных отделов. Роль зрения также возобладала у них над слухом, а поведение усложнилось. Лишь по характеру крепления мускулатуры крыльев — к большому гребню грудины — килю — они существенно отличаются от птерозавров. Возможно, развитие такой основательной опоры связано у птиц с тем, что их обмен веществ больше сопряжен со взмахами крыльев — так воздух нагнетается в воздушные мешки (легочные и носоглоточные). Эти полости в костях обеспечивают бесперебойное дыхание при машущем полете. При вдохе грудная клетка расширяется, а мешки растягиваются и всасывают воздух; при выдохе — сужающаяся грудная клетка выдавливает воздух из мешков, и легкие снова продуваются. Так обеспечивается высокая эффективность газообмена, благодаря этому птицы способны подниматься на высоту до 10 тысяч метров, где воздух сильно разрежен.
Птицы являются самыми совершенными из летающих созданий. Средняя скорость миграционного полета у них колеблется от 50 до 90 километров в час, наибольшая — 150 километров в час (черный стриж), дальность беспосадочного перелета достигает 3,3 тысячи километров (бурокрылая ржанка), а за год отдельные особи преодолевают свыше 80 тысяч километров (полярная крачка). Грузоподъемность птиц не менее поразительна: при собственной массе 1,6 килограмма белый сокол взмывает с добычей, более чем в три раза превышающей его вес. Люди могут только завидовать, несмотря на все свои достижения в самолетостроении.
Откуда же взялось само совершенство?
Знаменитому археоптериксу (Archaeopteryx) из Зольнхофена исполнилось 145 миллионов лет. Несмотря на прекрасную сохранность остатков археоптерикса (найдено 11 полных скелетов), споры о его природе не прекращаются до сих пор. Что у археоптерикса птичьего? Перья этого позднеюрского существа, размером с сороку, напоминали птичьи, причем контурные — с асимметричным опахалом, пригодные для полета. Полые кости, но без фораменов. Вилочка — сросшиеся ключицы, но не совсем такая, как у современных птиц. А остальное? Зубастая пасть — вместо клюва. Когтистые передние и задние лапы со всеми хорошо различимыми костями — а не сросшийся в единые жесткие опорные элементы скелет конечностей птиц, подобный цевке. Таз со всеми костями и длинный хвостовой отдел позвоночника — но не синакрум с пигостилем. Грудина без гребня — киля, необходимого для крепления сильной летательной мускулатуры, и даже брюшные ребра наличествуют, как у многих двуногих динозавров.
Реконструкция мелового пернатого хищного динозавра Similicaudipteryx. 125 миллионов лет; Чжэхоль, Китай. Музей юрского периода Астурии, Колунга, Испания
Летать, конечно, мог, но «низехонько-низехонько»: коракоидно-лопаточное сочленение не давало крылу подниматься выше спины и делать широкий взмах. Мозг был ближе к птичьему (или птерозавровому) — с развитыми лобными и зрительными долями, мозжечком, клочком и лабиринтом. Достаточно ли этого, чтобы считаться птицей или хотя бы прапрадедушкой всех пернатых? Одни ученые считают его переходным звеном между динозаврами и настоящими птицами. Но известный палеонтолог и орнитолог Евгений Курочкин из Палеонтологического института РАН полагал, что археоптерикс дал начало лишь особым пернатым животным — энанциорнисам, вымершим к концу мелового периода. Назвали их «противоположными птицами» из-за обратного варианта сочленения костей плечевого пояса: выемка на лопатке, выступ на коракоиде (у нынешних птиц, наоборот, ну, или как считать). Типичным представителем «противоптиц» был иберомезорнис (Iberomesornis) из нижнемеловых отложений Испании: существо с зубастым клювом и когтистыми лапами-крыльями, со слитным, но не птичьим скелетом хвоста (пигостиля скорее нет, чем есть) и выпрямленными, тоже не по-птичьи, лапками без цевки. Его родственники в основном лазали по деревьям, цепляясь когтями передних и задних лап (один из них был развернут, чтобы удобнее сидеть на ветках), и, конечно, летали уже в начале мелового периода. Правда, некоторые особенности крыльев свидетельствуют о том, что летуны из них получились не самые совершенные. Огромное разнообразие «противоптиц», мелких и больших, птенцов и взрослых, даже хорошо различимых самцов и самок (последние, подобно нынешним, гордо выделялись хохолком на голове и двумя длинными перьями в хвосте) упокоилось под раннемеловым вулканическим пеплом Чжэхоля, благодаря чему известно, что скелет у энанциорнисов окостеневал еще в яйце, из которого вылуплялись не цыплята и тем более не полуголые желторотики каких-нибудь воробьиных, а полные копии взрослых родителей. И росли обратные птицы всю жизнь, подобно динозаврам. Перья неправильных птиц были очень даже правильные — со стержнем и асимметричным опахалом, укрепленным бородками и крючочками, то есть составляли единую несущую плоскость.
Кроме энанциорнисов в меловом периоде жили и другие пернатые и крылатые «не совсем птицы». Например, конфуциусорнис (Confuciusornis, или «птица Конфуция»), у которого даже настоящий роговой клюв был, но притом сохранялись брюшные ребра, или чжэхольорнис (Jeholornis — «птица с Чжэхоля») с двумя хвостами: один — длинный, как у археоптерикса, другой, на копчике, — веером, словно у настоящих птиц, но без опоры в виде пигостиля. Впрочем, к тому времени в перья оделись не только настоящие (веерохвостые) и противоположные птицы, но и многие другие, даже динозавры…
Меловые динозавры-манирапторы получили свое имя, потому что их передние лапы были длинные в отличие от их коротколапых хищных родственников — тираннозаврид. Причем в роду манирапторов эти лапы все удлинялись и по мере удлинения все больше становились похожи на крылья. Приобрели эти ящеры и много других типичных птичьих признаков: вилочку (это та самая «куриная» кость, на которой загадывают желание), широкую грудину, гибкую шею, окостеневшие грудные ребра, воздушные полости в позвонках, большие выставленные глазницы (вероятно, чтобы глаз не тонул в пере). Увеличился и объем мозга — за счет развития лобных и зрительных долей, мозжечка, клочка и лабиринта (хотя обонятельные луковицы тоже значения не утратили). Где-то мы это уже проходили? Да, в эволюции птерозавров и всяческих птиц. Неужели полетели и динозавры? Полетели, но несколько иначе, чем прочие крылатые существа.
Эволюция машущего полета у пернатых позвоночных и насекомых. Художник Алина Коноваленко
На волне новых палеонтологических открытий не обошлось без курьезов: в конце 1990-х годов газеты и журналы, включая National Geographic, обошла сенсационная новость о находке настоящего переходного звена между динозаврами и птицами — археораптора (Archaeoraptor). На деле оказалось, что эту «диноптицу» умельцы склеили из костей настоящих меловых динозавров и птиц, чтобы продать через Интернет (бизнес на костях, особенно ископаемых, является весьма прибыльным, хотя науке наносит серьезный урон). Аферистам сделка удалась, а любителей жареного из околонаучной среды ославили до конца жизни, поскольку палеонтологи быстро разоблачили обман. Орнитолог Сторс Олсон из Смитсоновского института направил в National Geographic Society письмо, в котором совершенно справедливо пояснил, что в публикациях уважающих себя изданий не должны использоваться образцы, нелегально вывезенные из страны, где они были найдены (в данном случае — из Китая), а журналистам не следует употреблять названия прежде публикации в научных изданиях, поскольку так нарушаются права первооткрывателей.
По итогам выступления Олсона, поддержанного другими известными учеными, образец был возвращен в Китай, и палеонтологи разобрались, откуда и что «росло» у археораптора: его «птичья» часть после проведения рентгеноструктурной томографии и исследования дополнительных находок была описана как новый род энан-циорнисов — янорнис (Yanornis). Хвостовая же часть химеры оказалась фрагментом динозавра микрораптора (Microraptor zhaoianus). Позднее группой Сина Ксю из Института палеонтологии позвоночных и палеоантропологии Китайской академии наук в отложениях Чжэхоля были обнаружены полные скелеты нового вида микрораптора (Microraptor gui) — пернатого ящера величиной с курицу. Благодаря использованию методов рентгеноструктурной томографии высокого разрешения и съемки в ультрафиолетовом свете палеонтологам удалось выяснить, что контурные перья при жизни росли из покровных тканей на хвосте и всех четырех лапах микрораптора, а кроме того, были длиннее, чем кажется при обычном освещении.
Глядя на реконструкции этого пернатого ящера, ученые задумались, уж не летал ли он? Несколько групп биофизиков и палеонтологов создали натурные и компьютерные 3D-модели и поняли, что этот динозавр был прекрасно приспособлен к планирующему полету. При весе около 1,2 килограмма, прыгая с высоты в десяток метров, он мог разгоняться до скорости 40 километров в час и прицельно вцепляться в ствол другого дерева. То, что ящер вел именно древесный образ жизни, подтверждает и содержимое его желудка — исключительно неправильные птицы. Разошлись ученые только во мнении, как располагались его конечности в полете. Предлагалось четыре варианта: «биплан» с задними лапами, подогнутыми под передние, так чтобы их перья образовывали второе крыло; «раскоряка» — все четыре конечности горизонтально распластаны; «орел над гнездом» — ноги согнуты, но перья создают вертикальные плоскости; «летающее крыло» — лапы и перья расправлены так, что создают единую несущую плоскость. В принципе все четыре модели работают, но одни лучше при малых углах захода «на посадку», а другие в пике.
Однако микрораптор был уже пернат, и даже очень пернат. И если перья появились у динозавров даже раньше, чем они взлетели, то для чего? Для сохранения собственного тепла? А может быть, чтобы согреть детенышей?
Отпечатки контурных перьев задних конечностей у мелового динозавра Microraptor. Длина пера 10 сантиметров. Институт палеонтологии позвоночных и палеоантропологии, Китайская академия наук, Пекин
Реконструкция четырехрылого летающего хищного динозавра Microraptor. 125 миллионов лет; Чжэхоль, Китай. Длина 0,8 метра (предоставлено Майклом Хабибом и Джастином Холлом)
Относительные размеры яиц манирапторов, трехслойная известковая скорлупа, на которой иногда даже видны ямки — следы растворения, поскольку по мере созревания зародышу требовался кальций для роста костей, и типы гнезд этих ящеров уж очень похожи на птичьи. Скелет одного из монгольских меловых динозавров Oviraptorosaurus citipati был обнаружен прямо на гнезде в позе насиживания. А чем динозавр мог согреть яйца, если не перьями? Спасибо Чжэхолю — это не просто догадка! Пернатые динозавры, правда, сильно отличались друг от друга: одни были покрыты полыми нитевидными филаментами, другие — настоящими перьями, но с симметричным опахалом, то есть непригодными для полета.
Но не только Китай может похвастаться пернатыми динозаврами. Недавно известный читинский геолог Софья Синица открыла похожих существ в верхнеюрских озерных отложениях Забайкальского края, в Кулиндинской пади. Кулиндадром (Kulindadromeus) был покрыт самыми разными кожными образованиями: крупные черепитчато налегающие друг на друга пластины украшали сверху хвост; мелкие чешуйки, больше похожие на птичьи, чем на рептильные, усыпали голени; филаменты торчали из туловища и на загривке; наконец, необычные бляшки с несколькими плоскими ответвлениями сидели на плечах и бедрах. Сам же динозавр принадлежал к птицетазовой ветви ящеров, несмотря на название никакого отношения к птицам, даже обратным, не имевшей. А в Китае нашли пситтакозавра (Psittacosaurus), который считается предком всех четвероногих рогатых динозавров, с длинными волосовидными жесткими нитями и ирокезом, торчавшими вдоль крестца и хвоста.
И у современных птиц перья встречаются не только контурные — есть еще пуховые, нитевидные, просто пух и щетинки. Селекционеры, например, вывели несколько пород шелковых кур, которые, взрослея, не меняют цыплячий пух на перья. Куры декоративные, хотя, наверное, по вкусу от других ничем не отличаются. Но разве поднимется рука на существо, на ощупь больше похожее на котенка, чем на птицу?
Побежали? Полетели!
Был ли у всех пернатых на Земле общий предок? Несомненно: какой-то примитивный архозавр, живший в самом начале триасового или даже в конце пермского периода. Но был ли он сам с перьями? Некоторые палеонтологи и биологи считают, что был. От архозавров произошли и крокодилы, но они со временем утратили полые кости и перья, сохранив лишь остатки предковой кровеносной системы и легочных мешков, а также гены, управляющие развитием перьевого покрова. Впрочем, не обязательно вызывать в воображении пушистых крокодилов с крыльями. Если у предковых архозавров появился определенный и небольшой комплекс генов, отвечавших за пернатость, то он мог независимо и неоднократно включаться в самых разных линиях потомков по мере надобности. Палеонтологические открытия вызвали целый вал работ по эмбриологии и генетике: биохимик Алан Браш из Университета Коннектикута и орнитолог Ричард Прам из Йельского университета показали, что зачатки чешуи могут развиваться как в настоящую чешую, разрастаясь в ширину, так и в филамент, прорастая сквозь кожу вертикально. В свою очередь, эмбриологи Ребекка Янг и Гюнтер Вагнер из Йельского университета открыли, что у зародышей птиц закладываются пятипалые конечности и редукция пальцев у них могла происходить разными путями и даже так, как у динозавров.
То, что у динозавров могли быть перья, и то, что необычные типы перьев — явно не принадлежащие птицам — существуют, стало известно прежде чжэхольских находок. Сергей Курзанов из Палеонтологического института АН СССР в 1987 году открыл в меловых отложениях Монголии динозавра, передние конечности которого были устроены подобно крыльям, а структура костей этих конечностей указывала на наличие перьев при жизни ящера. Он и название получил подобающее — авимим (Avimimus). Разгоняясь, этот ящер мог использовать широко расставленные оперенные лапы как балансир, а вероятно, и вспархивать во время охоты или при опасности, как плохо летающие птицы.
Строение авимима подсказало, что техника птичьего полета, скорее всего, развивалась у таких машущих на бегу существ, а не у планирующих с деревьев. Напомню, что манирапторы приобрели птичьи по организации мозги, не отрываясь от земли: при быстром беге, чтобы легко и точно маневрировать, они тоже нужны. Биофизик Кеннет Дайэл из Университета Монтаны на опыте с птенцами показал, что, перебирая ногами, птица способна взбежать на 15-градусный склон, а с машущими крыльями даже на 75-градусный — почти вертикаль. И вернуться в гнездо или просто влезть на дерево. Так что машущее оперенное крыло птицы вполне могло появиться задолго до полета и для иных целей, так же как у насекомых. Освоившие планирующий стиль полета микрорапторы перейти на машущую технику уже были не способны.
Птичьи черты (строение перьев, скелета, дыхательного аппарата и теплокровность), на что обратил внимание Евгений Курочкин, накапливали как предки современных веерохвостых птиц, так и другие группы пернатых существ (конфуциусорнисы, энанциорнисы), а также динозавры, причем независимо. Получились различные в тонких деталях (например, разные типы коракоидно-лопаточного сустава), но вполне способные к машущему полету конструкции. А эволюция пернатых существ была столь же мозаичной, как и эволюция первых членистоногих или млекопитающих.
Живые эхолоты
Считается, что самыми последними освоили воздушное пространство млекопитающие, однако уже среди древнейших — триасовых — представителей этой группы нашлись формы, приспособленные к планирующему полету. Среди современных млекопитающих летными качествами выделяются машущие рукокрылые и планирующие шерстокрылы. Единственный ныне род шерстокрылов (Cynocephalus) обитает в тропической Юго-Восточной Азии, Индонезии и на Филиппинах. Черепом шерстокрыл напоминает лемура (но молекулярные биологи сближают его с грызунами), а скелет отличается длинными тонкими конечностями. Между конечностями натянута перепонка, с помощью которой эти живые планеры перелетают на расстояние до 130 метров. По земле они передвигаются совсем плохо и в случае неудачного приземления поскорее, скачками, карабкаются по стволу дерева наверх. Живущие по соседству грызуны — гигантские летяги не только хорошо передвигаются по земле, но и способны парить до 450 метров. Шерстокрылы и летучие мыши появились не позднее 55 миллионов лет назад.
В отличие от редких шерстокрылов рукокрылые — крыланы (летучие собаки) и летучие мыши составляют пятую часть видов современных млекопитающих. Самые древние из известных летучих мышей уже летали благодаря кожистой перепонке, растянутой между пальцами передних конечностей и задними лапами, и охотились с помощью эхолота-улитки — небольшого спирального органа в задней части черепа. Они испускали ультразвуковой сигнал, который, отражаясь от насекомых, воспринимался чувствительными волосками слуховой улитки и создавал звуковой портрет объекта. Натяжение перепонки регулируется пронизывающими ее мышечными волокнами, а растяжимость ей обеспечивают эластино-коллагеновые волокна (в этом рукокрылые повторяют птерозавров). Интересно, что становление машущего полета привело к развитию у летучих мышей в скелете киля, где крепится мощная грудная мускулатура, как у птиц, и многочисленных дополнительных сочленений в скелете передних конечностей. Двигая пальцами и задними лапами, мыши могут менять натяжение летательной перепонки, любые изменения профиля которой чувствуют густой сетью нервных волокон и легко маневрируют: пикируют, описывают петли, делают бочку и входят в штопор без всяких последствий. И все это на скорости 20–30 километров в час! Даже в тесной пещере, где обитает несколько тысяч особей, летучие мыши никогда не сталкиваются с летящими сразу во всех направлениях соседями.
Если на соискание роли птичьих предков претенденты выстраиваются в длинную очередь, то у летучих мышей таковых что-то не видно. Проблема, конечно, в том, что мелкие редкие животные с тонкими костями в палеонтологической летописи оставить свой след шансов практически не имеют. На ее страницы пробивается в основном тот, кто покрупнее и пообильнее. Статистические расчеты показывают, что почти 90 процентов летучих мышей, когда-либо существовавших в природе, следов своего пребывания на Земле, увы, не оставили…
Наземный мир эоценовой эпохи (55 миллионов лет): летучая мышь, дятел, примитивная пятипалая лошадь — пропалеотерий, прыгающее млекопитающее лептиктид, а также жук-златка; деревья: пальма, цитрусовое и лиана. Художник Анастасия Беседина
Быстрый же рост разнообразия летучих мышей в эоценовую эпоху отмечается не только находками скелетиков этих млекопитающих, но и, например, резкой сменой среди златоглазок: именно тогда современные представители этой группы ночных сетчатокрылых, способные улавливать мышиные ультразвуки, быстро начали замещать своих предшественниц, «не выучивших иностранный язык». Позднее, в олигоценовую эпоху, контроружие «изобрели» ночные бабочки-совки, разные группы которых научились создавать ультразвуковые помехи или, услышав мышиный ультраписк, быстро реагировать на него акробатическими воздушными кульбитами.
Если же верить молекулярным биологам (а верить им можно), то предков этой группы нужно искать среди общих предков хищников и копытных. И действительно, поместив череп ископаемого копытного хищника гиопсода (Hyopsodus) из группы кондиляртр, жившего прежде первых несомненных летучих мышей, в компьютерный микротомограф, палеонтологи Антони Равель и Мева Орлиак из Университета Монпелье обнаружили нечто похожее на улитку. Конечно, эта улитка была далека от совершенства, но сканировать с ее помощью окружающее пространство на частоте 77–208 герц было можно. Если из кондиляртр, условно говоря, получились и лев, и лошадь, и кит (тоже, кстати, более всего полагающийся на эхолокацию), то почему не летучая мышь? Тем более что древнейшие представители этой группы, такие, как раннеэоценовый онихониктер (Onychonycteris), тоже не были искусными специалистами по ультразвуковым колебаниям.
Приматам, чтобы подняться в воздух, пришлось изобретать аппараты, мало похожие на те, что появились в ходе эволюции — без машущих крыльев, перьев и перепонок. Все это человек последние 250 лет (срок по меркам существования жизни ничтожный) тоже пытался воссоздать, но оказалось, что повторить механизмы, оттачивавшиеся природой сотни миллионов лет, практически невозможно. Лишь безмоторные дельтапланы несколько напоминают некоторые летающие семена и животных, но это лишь исключение, подтверждающее правило. И летать, опираясь не на крылья, а лишь на силу разума, оказывается непросто…
Назад: 1. Шестое, седьмое и другие чувства
Дальше: 3. Кто делает погоду?