Как динозавры учились летать

Международная исследовательская группа палеонтологов произвела скурпулезную обработку большого массива данных о древнейших птицах и их родственниках — хищных динозаврах. В ходе этих исследований ученые попытались определить физический порог, после которого животное становится способным к активному полету, и показали, что хищные динозавры пересекали этот порог минимум трижды, в разных (хотя и довольно близких) эволюционных ветвях, лишь одна из которых дала настоящих птиц.
Исследователи изучают вопрос происхождения птиц с 1860-х годов. Это один из самых популярных «сюжетов» во всей эволюционной биологии. Интерес к нему вполне понятен.
Во-первых, птицы — яркие и разнообразные существа, с которыми знаком каждый.
Во-вторых, перед нами классический случай возникновения новой крупной группы животных с принципиально новым образом жизни, к тому же неплохо палеонтологически документированный. Всем известный археоптерикс был описан Ричардом Оуэном (Richard Owen) в 1863 году, и с тех пор материал все прибавляется и прибавляется.

Суть вопроса о происхождении птиц имеет два аспекта: филогенетический и экологический, или правильнее сказать — этологический. Долло называл этологией (от слова этос — обычай, поведение, стиль жизни) исследование «образа жизни в широком смысле этого слова».
Филогенетика отвечает на вопрос «от какой именно группы рептилий птицы произошли?», а этология Долло — на не менее интересный вопрос «как возник полет?».

Суть двух теорий

После того, как стало известно, что птицы произошли от рептилий, получила популярность идея, что их предки вели древесный образ жизни. Одним из первых эту точку зрения высказал американский палеонтолог Отниэл Марш (Othniel Charles Marsh). Он полагал, что рептильные предки птиц были небольшими древесными существами, которые умели планировать, примерно как современные белки-летяги, летучие драконы и веслоногие лягушки. При перепрыгивании с ветки на ветку и с дерева на дерево даже зачаточные перья повышали планирующую способность, давая своему обладателю заметное преимущество. Таким образом, для «запуска» эволюции в сторону полета совершенный перьевой покров не требовался; никакой проблемы «нередуцируемой сложности» здесь не возникает. Достаточно было создать для начала хоть какие-то перья, а потом постепенно усложнять их.
Другой американский ученый, Самуэль Уиллистон (Samuel Wendell Williston), предложил альтернативную версию происхождения птиц — наземную:
«Нетрудно понять, как передние лапы динозавров могли измениться до состояния крыльев. В триасе, откуда у нас мало ископаемых находок, на протяжении долгого времени могло происходить постепенное удлинение пальцев и увеличение чешуй — и то и другое помогало животному в беге. Превратиться в перья таким чешуям было уже легко. Вероятно, поначалу крылья использовались для бега, потом для прыжков и спуска с высоты, и наконец, для парящего полета».
Тем не менее, более обстоятельно наземную гипотезу происхождения птиц разработал в начале XX века венгерский палеонтолог Франц Нопча (Franz Nopcsa). Сравнив птиц с другими летающими позвоночными, Нопча обратил внимание на то, что ни птерозавры, ни летучие мыши не проявляют ни малейших признаков адаптации к бегу. Третья группа летающих позвоночных — птицы — образует с ними резкий контраст.
Если птерозавры и летучие мыши наверняка произошли от четвероногих древесных животных, то о птицах этого сказать нельзя. По способу передвижения они гораздо ближе к наземным двуногим динозаврам. Вероятнее всего, предок птиц тоже был наземным и двуногим. И Нопча предположил, что птицы произошли от бегающих динозавров, которые научились прямо в ходе бега взлетать в воздух, используя для этого освободившиеся оперенные передние конечности.
В результате самой популярной стала так называемая комбинированная теория: птицы полетели с деревьев, но еще до этого они прошли эволюционную стадию наземных бипедальных бегающих животных. Развернутую версию этой теории предложил видный американский эволюционный морфолог Уолтер Бок (Walter Bock).
В истории происхождения птиц он выделяет шесть предполагаемых стадий:
— бипедальный бег по земле;
— лазанье по деревьям;
— прыжки с дерева на дерево;
— парашютирование;
— планирование;
— активный полет.
Каждая стадия сопровождается специализацией в собственном направлении, которое вовсе не обязано совпадать с предыдущим и последующим, так что результирующая макроэволюционная траектория получается весьма ломаной — не как подъем по лестнице, а как путь муравья в лабиринте.
В 1970-х годах появились работы североамериканского палеонтолога Джона Острома (John Harold Ostrom), которые произвели в этой области настоящую революцию.

Динозавровая революция

Остром во всех деталях изучил скелеты, с одной стороны, археоптерикса, а с другой — хищных динозавров, особенно некрупных и «длинноруких» (с нередуцированными передними лапами). Он показал, что сходство между ними гораздо сильнее, чем раньше думали. Поразительно похоже устроены череп, позвоночник, плечевой и тазовый пояса, кисть, стопа, и наконец — весь в целом скелет передней конечности. Последняя буквально идентична передней лапе некоторых хищных динозавров, но притом совершенно не похожа на переднюю лапу додинозавровых рептилий — текодонтов. Он писал:
«Анатомия археоптерикса — это почти целиком анатомия динозавра, а не текодонта, не крокодила и не птицы».
Остром справедливо заключил, во-первых, что такое сходство не может быть случайным, и во-вторых, что основа двигательного аппарата динозавров и археоптерикса не могла сформироваться в древесных условиях. Археоптерикс, как и большинство динозавров, полностью бипедален. Их общие предки наверняка были двуногими животными, хорошо бегавшими по земле.
И вот с этой надежной позиции Остром  повел атаку на древесную теорию. Прежде всего он обращает внимание на то, что у археоптерикса нет ни одного скелетного признака, который можно было бы однозначно истолковать как адаптацию к древесному образу жизни. Признавая, что сценарий Бока не является невозможным, Остром тем не менее предложил свой — альтернативный.
Что, если предположить, что археоптерикс совсем не был древесным, а был наземным бегающим хищником, охотившимся на мелкую добычу — в точности как многие динозавры, на которых он так похож по скелетным признакам? Поскольку у археоптерикса с перьями все отлично, отсюда автоматически следует, что перо появилось совершенно независимо от полета. Остром считал, что сначала перьевой покров служил для теплоизоляции. Только потом некоторые перья удлинились и приобрели дополнительную аэродинамическую функцию.
Вроде все это выглядит более-менее правдоподобно, но вызывает совершенно неизбежный вопрос: а зачем, собственно, перьям было удлиняться и приобретать облик маховых перьев птиц, если животное было наземным? Остром предположил, что передняя лапа с увеличенными перьями помогала ловить крупных летающих насекомых, работая чем-то вроде большого сачка. Две лапы действовали как пара встречных сачков; при этом чем больше была их площадь, тем больше насекомых удавалось поймать. Именно это привело к образованию крыла, и только потом оно стало служить еще и для движения.

Справедливости ради надо отметить, что именно эта часть версии Острома вызвала больше всего критики. При схлопывании первичных крыльев между ними неизбежно повышалось бы давление воздуха, стремящееся выбросить любой попавший туда мелкий предмет. Никакие известные животные добычу так не ловят. Если уж принимать бегающую теорию, гораздо разумнее предположить, что зачатки крыльев давали чисто локомоторные преимущества — например, служили стабилизаторами при быстром беге. Физически это вполне правдоподобно, и примерно так использует крылья современный африканский страус.

Противостояние теорий

На протяжении 120 лет ключевым звеном в разработке всех гипотез происхождения птиц оставалось одно и то же существо — археоптерикс. Его регулярно переизучали, сравнивали с динозаврами, крокодилами и прочими «гадами», но других источников информации о происхождении птиц у палеонтологов почти не было.
Тем не менее, в конце XX века ситуация резко изменилась.
Так, в 1981 году была открыта совершенно новая группа мезозойских птиц, которая получила название Enantiornithes. По виду они были похожи на обычных птиц, однако отличались от них деталями строения скелета. Таких отличий найдено большое количество, и в сумме они дают очень убедительно обосновать идею, что «птичий» тип устройства скелета сложился у энанциорнисов и у обычных птиц независимо.
Само название «энанциорнисы» буквально означает «противоптицы». Энанциорнисы хорошо летали, они были большой и разнообразной группой, однако в конце мезозоя они вымерли вместе с динозаврами.
В 1996 году были открыты первые динозавры, несомненно имевшие перья. Джон Остром говорил, что, когда он увидел фотографии остатков этих динозавров, у него «буквально подогнулись колени»: действительно, для его гипотезы, что перо возникло независимо от полета, более наглядное подтверждение трудно было вообразить. Наличие перьев у хищных динозавров предполагалось и раньше, но теперь это стало установленным фактом. Сейчас известны уже десятки родов пернатых динозавров, причем они очень разные: от 6–7-метровых гигантов до существ размером с галку. Эти открытия дали очень много интересной информации, но попутно, как всегда бывает, породили новые вопросы.
Проблема бегающей теории в том, что многие доводы, использованные в ее поддержку, можно при желании развернуть в другую сторону. Например, у авимима, одного из первых детально описанных близких к птицам динозавров, который наверняка был оперенным, передние конечности (они же крылья) имеют длину всего в 60% от длины задних. Для полета такие крылья не годятся.

А у многих других пернатых динозавров они еще короче.
Специализация к двуногому бегу у рептилий отчетливо сопровождается смещением центра тяжести в сторону тазового пояса, в то время как для полета он должен находиться в области плечевого. Крылья наземных оперенных динозавров, скорее всего, действительно служили стабилизаторами при быстром беге. Но стабилизаторы по своей природе как раз должны находиться далеко от центра тяжести.
Очевидно, что условия полета сверху вниз (с возвышенного насеста) или снизу вверх (с ровной земли) принципиально различны: в первом случае животное использует гравитационное поле как источник энергии, а во втором оно должно приложить значительное усилие, чтобы это поле преодолеть. Находясь в условиях земной гравитации, проще простого упасть вниз, но еще никому не удалось упасть вверх. Конечно, насестами, позволяющими запустить планирование, могли бы служить не только деревья, но и скалы или нависающие берега, но деревьев на Земле все-таки больше.
В самом начале XXI века был открыт микрораптор, небольшой динозавр, у которого не только передние, но и задние конечности несли перья, вполне позволяющие называть их крыльями.
Нельзя забывать и о том, что подавляющее большинство оперенных динозавров жило в меловом периоде. Они были современниками птиц и уже поэтому не могли быть их предками.