20. Какой прок от полукрыла?

Довольно часто среди скептиков, критикующих дарвиновскую эволюцию, обсуждается вопрос того, что устройство живых организмов настолько оптимально отвечает своим задачам, что просто не может быть продуктом, созданным в результате слепого природного процесса. Я постоянно слышу об этом. Например, о том, что создание изысканного механизма крыльев птиц и пчел под силу лишь искусному творцу. Такие рассуждения основаны на ошибочных представлениях о том, что любая биологическая структура может быть функциональной только в своем нынешнем состоянии. Если крыло ястреба – совершенство, то, значит, оно не могло быть результатом эволюции и проходить определенные этапы развития; в противном случае, история была бы завалена бракованными и неполноценными версиями современного ястреба. Часто креационисты скептически формулируют это так: какой прок от полукрыла?

Как и многие другие популярные опровержения теории эволюции, данная позиция не лишена смысла, но лишь до поры, пока вы действительно не разберетесь в том, как устроен мир природы. Я с удовольствием отвечу на вопрос о том, какая польза от половины крыла или половины глаза, или половины сердца. Теперь, когда мы поговорили о «пригодной» структуре, конвергентной эволюции и полезных адаптациях, мы готовы рассмотреть и этот вопрос. Пожалуйста, обратите внимание на экспонат А., а именно – археоптерикс, удивительное ископаемое животное, которое одновременно похоже на птицу и на ползающую рептилию. Первый экземпляр был открыт в 1860 году, лишь через полтора года после того, как Дарвин опубликовал свой труд «О происхождении видов».

Самое поразительное в археоптериксе то, что он (или она) имеет перья. Окаменелость так великолепно сохранилась, что мы можем ясно видеть их очертания. Что это животное с ними делало? Ну, следуя аргументу о половине крыла, перья нужны были для того, чтобы археоптерикс мог летать. Конечно, когда исследователи внимательно посмотрели на отпечаток перьев археоптерикса, они увидели те же самые птерилии – выпуклости, из которых растут перья и которые можно встретить у современных птиц.

Научная гипотеза должна не только давать объяснения найденным доказательствам, но и делать прогнозы относительно того, что пока не обнаружено. Увидев, что археоптерикс имел перья, эволюционные биологи предсказали существование и других промежуточных форм между птицей и рептилией, которые, в свою очередь, должны были иметь переходные формы крыльев и перьев. За последние два десятилетия произошло нечто экстраординарное: люди, проводившие раскопки в ранее неизученных областях Китая, обнаружили останки пернатых динозавров. Не просто одного или двух динозавров, а множества различных видов. Кроме того, в настоящее время установлено, что множество других известных динозавров также имели перья. Возможно, у всех у них были перья; просто они не сохранились достаточно хорошо для того, чтобы мы это увидели. Это касается даже обитавших на суше хищников, таких как велоцираптор – звезда фильма «Парк юрского периода». (Что это вы говорите? Вы не помните, чтобы в фильме он был в перьях? Это все потому, что фильм был снят до того, как палеонтологи обнаружили эти «пернатые» окаменелости. Наука по своей сути – это непрекращающаяся работа.)

Определенно, велоцирапторы не могли летать. У этих динозавров были крупные и массивные задние конечности и совсем маленькие передние лапы. Тем не менее у них были перья; как и в случае останков археоптерикса, в их окаменелостях мы также наблюдаем птерилии. Придется смириться с тем, что перья были даны велоцирапторам для чего-то другого, но не для полета.

Самым вероятным назначением перьев мне видится поддержание температуры тела животного – перья добавляли им тепла, а может быть, даже жара… я имею в виду, сексуальной привлекательности, то есть служили также для привлечения партнеров противоположного пола. На самом деле это две основные версии, принятые среди экспертов в этой области. Правда, поразмыслив над этим еще немного, можно сойтись на том, что их перья могли выполнять обе функции. Они сохраняли тепло тел этих животных и помогали велоцираптору, облаченному в стильное зимнее перьевое пальто, подчеркнуть свою привлекательность.

Но как быть с нашим бесценным, в том числе с научной точки зрения, археоптериксом? Что по поводу его перьев? Были ли они предназначены для полетов? Ответ кажется однозначным: возможно. Это интригует, если не сказать больше. Если вы когда-либо рассматривали птичье перо, вы могли видеть, что в нем есть центральный ствол, а по обе его стороны находится то, что мы называем «усами». Та к выглядит оперенная часть пера. Усы соединяются друг с другом другими элементами, которые мы называем «бородками» (маленькими бородами) и «крючочками» (маленькие крючки). Вся эта конструкция совершенно жесткая и негибкая и при этом удивительно легковесная.

Среди замечательных особенностей пера – его ствол: полый, но одновременно очень прочный. Если вы когда-либо видели новорожденного птенца, вы, возможно, замечали его совсем тонкие перья – они выглядят как отдельные длинные волоски. На их милых маленьких ножках также есть чешуйки, которые не сильно отличаются от чешуи на коже аллигатора или змеи. Перья, чешуйки и волосы – все это состоит из одних и тех же видов клеток. Все мы, и змеи, и птицы, и люди, можем создавать кератиновые структуры – природный пластик, из которого состоят чешуя змеи, перья птиц и наши с вами волосы и ногти.

Исследователи очень внимательно изучали окаменелые останки археоптерикса. Способ расположения его костей позволяет большинству ученых предположить, что эти животные не могли поднять свои крылья высоко над головой. А все известные нам птицы могут. Широкие взмахи помогают современным птицам довольно быстро отбрасывать достаточное количество воздуха вниз и назад для того, чтобы совершить подъем. Пока не ясно, мог ли археоптерикс летать так, как летают современные птицы. Впрочем, и этого для меня более чем достаточно – перья, обнаруженные в окаменелых останках археоптерикса и рядом с ними, асимметричны, а значит, эти животные могли летать – по крайней мере, хоть как-то.

Если вы часто летаете самолетами, следующее наблюдение будет для вас знакомым. Если же нет – в следующий раз, находясь рядом с самолетом, обратите внимание на то, что спереди крыло самолета толще, чем сзади. При ближайшем рассмотрении наибольшей толщины крыло достигает на расстоянии примерно четверти длины от передней кромки крыла. Расстояние от передней кромки крыла до задней называется хордой (как отрезок в пределах окружности). Самая широкая часть крыла находится на линии первой четверти хорды крыла, и именно здесь мы, люди, прокладываем самую большую опорную балку или лонжерон. Он проходит вдоль крыла (перпендикулярно корпусу самолета). С перьями, которые птицы используют для полета, дело обстоит примерно так же. Ствол пера, используемого для полета, проходит по линии первой четверти хорды пера. Перья археоптерикса устроены таким же образом.

Перья хвоста у современных и у древних ископаемых птиц симметричны. От левого края до правого все они имеют примерно один размер. Эти перья не связаны с силой или нагрузкой на маховые перья птицы. Но погодите, погодите… тут есть кое-что еще. У современных птиц есть дополнительные перья – покрывные, которые находятся поверх основных перьев. У современных летающих птиц эти покрывные перья используются для сглаживания воздушного потока, идущего поверх крыла птицы. Они работают точно так же, как обтекатели, которые мы ставим на наши самолеты. Загляните под крыло современного лайнера, и вы увидите длинные обтекатели, по форме напоминающие каноэ, – они заставляют воздух плавно обтекать механизмы, регулирующие поверхности для увеличения подъемной силы, например закрылки. Обтекатели добавляют самолету вес, но это компенсируется снижением сопротивления воздуха. Покрывные перья у птиц также добавляют немного веса. Они также требуют энергии птицы, чтобы расти и сменяться по мере изнашивания. Они напоминают ваши ногти, которые постоянно растут вследствие износа. (Попробуйте оставить клейкую ленту на своих ногтях на нескольких часов. Вы увидите, как сильно мы изнашиваем свои ногти. Неожиданно!)

Под хвостовым оперением (empennage) подразумеваются хвостовые перья или оперение хвоста – птицы или самолета. Обратите внимание на латинский корень penne, который обозначает «перо». На протяжении веков люди использовали перья для письма. Говоря о хвостовом оперении, нельзя не обратить внимание на то, что перья в хвосте павлина по сути точно такие же, как и хвостовые перья у других птиц. Дикое и яркое оперение, которое демонстрируется павлином в период ухаживания, полностью состоит из удлиненных, декорированных, больших и маленьких покрывных перьев. Как и остальные птицы, которые летают, павлины не подвергают свои покрывные перья высоким нагрузкам, несмотря на их мощь и размер.

В одном замечательном исследовании ученые с помощью рентгеновской установки проанализировали окаменелости перьев археоптерикса и ископаемые перья родственных видов. В результате они определили, что с вероятностью в 80 % его перья были темными или черными, как у ворона. Если вы когда-либо бросали летающую тарелку, вы, возможно, замечали, что более темные диски – жестче. То же самое справедливо и для пищевых контейнеров: чем они менее прозрачны, тем крепче и жестче. Та к называемый пластмассовый пигмент-наполнитель влияет на жесткость изделия. То же самое верно и в отношении кератина, основного материала перьев. Темные перья будут жестче и, возможно, будут лучше годиться для полета.

В 2013 году был открыт одиннадцатый экземпляр археоптерикса. Судя по всему, археоптерикс появился примерно в то же время, что и несколько других пернатых рептилий. Анализ перьев с лодыжек археоптерикса показал, что он, вероятно, мог летать – по крайней мере, в какой-то мере. Даже если его перья не были пригодны для полноценного полета, другие современные ему виды тем не менее все же имели вполне подходящие для полетов перья. Итак, расследование продолжается, господа присяжные заседатели.

Признаюсь, я просто очарован живыми существами, способными летать. Может быть, я просто завидую. Та к или иначе, меня завораживает эта хитроумная стратегия: оторвавшись от земли и пролетев некоторое расстояние над землей или океаном, можно, «не замочив ног», спастись от хищника, найти пищу или выискать место, чтобы пустить корни. Однако полет для любого организма, как и для сконструированной человеком машины, – это сложное дело. В машиностроении мы говорим, что достаточно большой двигатель может заставить летать что угодно. Гораздо более трудная задача – это рулевое управление. Представьте себе автомобиль, которым вы не можете управлять. Вам не понадобится гарантия, потому что машина гарантированно разобьется. Полет требует непрерывного, точного управления по трем осям: наклон, поворот, спуск и подъем (крен, рысканье, тангаж). Полет без контроля станет для птицы в буквальном смысле дохлым номером. Так неужели археоптерикс умел все это делать?

Тщательное изучение черепа археоптерикса, в частности, показывает, что он не только имел перья и крылья, пригодные для полета, но и обладал достаточно крупным мозгом, чтобы уметь летать. Почти все наши самолеты имеют горизонтальные стабилизаторы или хвостовые крылья и вертикальные хвосты – это торчащие вверх детали со встроенным подвижным рулем. Но взгляните на бомбардировщик Б-2: у него нет вертикального оперения и вообще нет хвоста. Военные разработчики хотели избавиться от вертикального оперения, отражающего радиоволны радара. Любой аппарат с вертикальным оперением обнаружить гораздо легче, чем самолет, который по каким-то причинам его не имеет. Обратите внимание, что хвостовое оперение самолета, подобно оперению стрелы, направляет самолет и заставляет его лететь туда, куда хотим мы.

Проектировка самолета без торчащего хвоста стала неплохой сделкой для моего скромного мирка конструирования военных самолетов (у меня какое-то время был допуск к секретной работе). Очевидно, что для птицы обходиться без хвостового оперения проще. Сконструировав самолет без хвоста, люди, по большому счету, сделали это через 150 млн лет после того, как до этого додумались птицы. Это потребовало от нас многолетних исследований и развития системы компьютеризированного управления полетами, достаточно быстрой для того, чтобы постоянно следить за разными контрольными поверхностями самолета, такими как внутренние и внешние элероны. Возможно, у археоптерикса не было подобных забот, потому что у него для этого были перья и мозги.

При всем при этом напрашивается разумный вывод, что археоптерикс все-таки немного умел летать, ну или, как минимум, мог взлетать и парить в воздухе, удерживая свое тело на восходящих потоках горячего воздуха точно так же, как это делает большинство современных птиц. Вообще, это довольно занятная мысль. Даже если он действительно не мог работать своими крыльями так, как это делают современные птицы, даже если перья на его крыльях не были достаточно длинными или сильными для того, чтобы правильно распределять и поддерживать вес тела, даже если его мозг не мог проложить маршрут через теплое море или густой лес, скорее всего, он все равно практическилетал.

Как ни крути, у археоптерикса, по сути, было полукрыло. У велоцираптора было нечто наподобие четверти крыла или даже его восьмушки. И знаете что? Эти промежуточные версии отлично функционировали; просто функции, к которым они были приспособлены, немного отличались от задач ястреба и его крыла. Возможно, археоптерикс порхал с ветки на ветку. Может быть, он спрыгивал с высокой ветви или скалы и мог медленно планировать вниз, чтобы при посадке не сломать себе ногу или не свернуть шею. А может быть, он просто полулетал? Ведь полукрыло может сгодиться и на это! А что если все эти перья служили ничем иным как теплой шубой для этих животных, удерживая тепло их тел? Что если все мои размышления об их аэродинамических способностях – просто фантазии, безосновательные выводы? Или, может быть, их перья были всего лишь украшением, привлекающим потенциальных партнеров? С точки зрения эволюции такая способность была бы «пригодной» и очень даже полезной. В любом случае полукрыло было необходимо археоптериксу для выживания.

В нашем современном эволюционном понимании археоптерикс представляет собой промежуточный тип животного. Его останки демонстрируют переход от пернатых динозавров к птицам. И если вы еще не слышали, то наши птицы, те, что каждый день летают у нас над головами, действительно являются прямыми потомками динозавров. Мы видим это по отпечаткам ног, тел и перьев этих древних существ. Дарвин вполне резонно предполагал существование этой связи задолго до того, как ученые получили в свое распоряжение метод рентгеноструктурного анализа или сформулировали положение о точках четвертей хорд. Уж очень он был наблюдательным человеком.

Вот еще один важный момент: в свое время, то есть тогда, когда он жил, археоптерикс не был чем-то промежуточным или чьей-нибудь половиной. Это было существо, хорошо приспособленное к своей среде. Может быть, с точки зрения человека, археоптерикс выглядит как неполная версия птицы лишь потому, что мы ориентируемся на внешность современных птиц. Однако в то время археоптерикс был вполне конкурентоспособным членом своей экосистемы.

Если бы древние птицы были похожи на современных и подобно им использовали свои перья для обогрева, то вполне разумным могло бы стать предположение, согласно которому древние динозавры были способны генерировать свое собственное тепло, подобно нам с вами. Как вам такое? Вместо неторопливых, греющихся на солнце змееподобных существ они стали бы быстрыми и проворными, как колибри или ястребы. Образ страшных и стремительных динозавров из фильма «Парк юрского периода» был вдохновлен результатами раскопок, посвященных археоптериксу. С каждым днем наука все больше обогащается. Некоторые из последних исследований показывают, что динозавры не были ни теплокровными, ни холоднокровными. Вероятно, они были чем-то между: полутеплокровные, которые (как и полукрыло), судя по всему, вполне сносно существовали в течение многих миллионов лет. Так что для них у меня будет новый термин – мезотермический, что означает «тепло где-то между там и сям».

Пернатые динозавры – это всего лишь одно из недавних открытий, иллюстрирующих переходы от одного вида организмов к другому и тем самым заполняющих пробелы в истории эволюции. Точные моменты переходов зафиксировать практически невозможно (что является характерной чертой прерывистого равновесия), но во многих случаях, при определенном упорстве и с помощью хорошо продуманной стратегии, можно найти более обобщенную промежуточную форму.

В течение многих лет ученые-эволюционисты переживали из-за невозможности обнаружить переходное животное между рыбами и наземными животными, такими как ящерицы, крокодилы и аллигаторы. Переживали, пока не стали всерьез об этом задумываться. В конце концов, они предположили, что такое существо могло жить в болоте, возраст которого должен составлять примерно 375 млн лет. Обнаружив подходящее болото с окаменелостями, передвинутое тектоническими плитами к северу, туда, где сейчас находится восточная часть Канады, люди принялись за поиски. Именно так Нилу Шубину удалось обнаружить знаменитый тиктаалик – рыбу с переходной формой конечностей – от плавников к ногам. В контексте нашего обсуждения можно сказать, что у тиктаалика были полуконечности. Но самому существу определенно не казалось, что оно обделено, а его части тела – лишь половина от того, что ему положено. Его конечности наверняка позволяли ему ползать по земле, прятаться от хищников или подбираться поближе к потенциальной добыче.

Переоценить значение такого открытия невозможно. Используя научные методы, мы, ученые, мечтаем о возможности предсказаний. Мы хотим формулировать теории, которые позволят нам делать прогнозы о будущем. Ведь это в наших силах. Наши предки, не интересовавшиеся предсказаниями и прогнозами, были моментально вытеснены другими предками, умевшими предсказывать смену климатических сезонов, передвижения хищников или урожаи продовольственных растений. Ученые предсказали обнаружение такого существа, и тиктаалик действительно был найден. Я привел этот аргумент моему оппоненту-креационисту в дебатах в Кентукки. Креационизм, в отличие от науки, не может предсказать ничего. Помимо того что креационизм, очевидно, неверен, так он еще определенно бесполезен. И, несомненно, придаток, одновременно являющийся и ногой, и плавником, был очень полезен таким животным, как тиктаалик. Именно с его помощью они передвигались, охотились, убегали от хищников и размножались.

Эффективность полукрыла – это старый вопрос, который имеет четкий, убедительный ответ в контексте эволюции. Вот вам еще один фантастический пример того, как эволюция создает промежуточные формы. В 1990-х годах группа научных исследователей обнаружила останки кита, который когда-то мог ходить. Я не шучу. Окаменелые останки амбулоцетуса (ходящего кита) были найдены на территории современного Пакистана. Это животное имеет ласты как у кита и ноги с пальцами.

Амбулоцетус, видимо, обитал на отмелях и, судя по его зубам, питался другими животными. С помощью химического анализа этих зубов исследователи определили, что амбулоцетус мог переходить от соленой воды к пресной. Эти животные жили в устьях рек – там, где реки впадают в моря. В этих плодородных районах у них определенно не было проблем с пропитанием. Также у них были волосы, и, судя по окаменелым отпечаткам, довольно густые. Эти животные эволюционировали в наших современных китов. У них одновременно были и полуноги, и полуласты. Можете не сомневаться, они прекрасно пользовались и тем и другим. Амбулоцетусы жили достаточно большими сообществами и размножались на протяжении достаточно долгого периода для того, чтобы быть найденными нами в виде окаменелостей спустя 50 млн лет.

Полукрылья, полуноги или полуплавники – все это отлично пригодилось их обладателям для того, чтобы в результате их потомки бегали, прыгали и летали сегодня среди нас. Каждая функция должна была быть «пригодной» в свое время. И каждая оказалась «пригодной».