Эволюция полета
Еще остались люди, которые не верят в эволюцию, несмотря на все неопровержимые доказательства. Они хотят верить, что крылья птицы и летучей мыши – плод целенаправленной творческой мысли, что они сконструированы каким-то великим сверхъестественным инженером. Такие люди называются креационисты. В приличных университетах их не найти. Зато в менее образованных кругах – сколько угодно.
Один из излюбленных доводов креационистов опирается на это: эволюция должна действовать через постепенные небольшие изменения и вынуждена работать с тем, что уже существует, вместо того чтобы перейти прямо к наилучшему решению задачи. А в случае крыльев креационисты любят задавать вопрос “Что толку в половине крыла?” Да, говорят они, настоящее полноценное крыло – это очень хорошо, но ведь крылатое животное должно было произойти от бескрылого, и промежуточные стадии вряд ли на что-то годились: сначала десятая часть крыла, потом четверть крыла, потом половина… Разве предок, у которого была всего лишь половина крыла, не должен был шлепнуться на землю и если не разбиться, то по крайней мере попасть в глупое положение? Каждый шаг по эволюционной лестнице к нормальному крылу должен был быть лучше предыдущего, а все промежуточные звенья – животные с частями крыла – должны были выжить. Причем выжить лучше, чем их конкуренты, у которых части крыльев были немного меньше. Конечно, все промежуточные звенья должны были потерпеть неудачу, говорят креационисты. Ни о каком постепенном подъеме к совершенству речи, конечно, не было.
Скелет позвоночного дает много вариантов натяжения поверхности для парения. “Летучая ящерица”растопыривает ребра внутри кожной перепонки. Этот дракон только что совершил мягкую посадку на ствол далекого дерева.
Как отвечают на это ученые? На самом деле вопрос по-детски прост. Вспомним летяг и австралийских сахарных поссумов, шерстокрыла с его кожаным парашютом, натянутым между четырьмя лапами и хвостом. Леса планеты, особенно Юго-Восточной Азии, населены множеством других прекрасных парашютистов и дельтапланеристов. Летучие ящерицы, они же летучие драконы (их латинское название Draco), тоже обзавелись перепонками из кожи, но у них кожа натянута не между растопыренных конечностей, вместо этого ребра у ящерицы торчат в стороны, и на этом каркасе держатся два нежных крыла – помните, мы говорили, что эволюция задействует уже имеющееся, а не начинает с чистого листа? В тех же лесах обитают и “летающие” змеи. У них нет никаких заметных глазу крыльев, (конечностей у них тем более нет). Но их ребра раздвигаются в стороны достаточно, чтобы все тело сделалось плоским и приобрело в сечении ту же кривизну, что и крыло самолета, а это обеспечивает достаточный эффект парашюта, возможно, при содействии закона Бернулли. Змеи могут планировать с дерева на дерево на 30 метров. И все это время они медленно опускаются, однако спуск этот управляемый, они словно плавают в воздухе, проделывая те же волнообразные движения, при помощи которых перемещаются по земле или в воде. В тех же лесах водятся парящие лягушки. У них перепонки натянуты между растопыренными пальцами на всех четырех лапах. Никто из этих планеристов не летает по-настоящему, их летательные поверхности скорее похожи на парашюты, то есть продлевают падение. Как же эволюция создавала их?
Летающая лягушка растопыривает пальцы на всех четырех лапах, и перепонки ловят воздух.
Все эти животные-парашютисты живут в лесах, где солнце светит на листья, которые питают все лесное сообщество. Там, в этих воздушных угодьях, резвятся белки, иногда перепрыгивая с ветки на ветку. У беличьего хвоста несколько функций. Белки подают им сигналы другим белкам, он помогает удерживать равновесие во время бега и прыжков по веткам. Насколько мне известно, он используется как зонт в дождь, а пустынные белки укрываются им от солнца. А кроме того, его пушистая поверхность ловит воздух и помогает белкам прыгать дальше на ту малую толику, чем прыгали бы белки без хвоста.
Что же это меняет? Если белка не допрыгнет до намеченной ветки, она рискует упасть и сильно покалечиться. Наверняка существует предельное расстояние, на которое могла бы допрыгнуть белка без хвоста. Даже не очень пушистый хвост дал бы белке возможность прыгать чуть-чуть дальше. Но насколько? Даже если всего на несколько сантиметров, этого было бы достаточно, чтобы у особи с немного более пушистым хвостом было немного больше преимуществ. А где-то там, в вышине, наверняка найдется критическое расстояние между ветками, которое едва способна преодолеть белка с хвостом еще чуть-чуть пушистее. И так далее. Лес обеспечивает весь диапазон расстояний между ветками. Поэтому, как бы далеко ни могла допрыгнуть белка с нынешним хвостом, где-то есть две ветки, расстояние между которыми она могла бы покрыть, только если бы хвост у нее был капельку пушистее или длиннее. У особи из следующего поколения с немного более совершенным хвостом меньше риск упасть и больше вероятность выжить и передать гены усовершенствованного хвоста.
Суть в том, что пушистость хвоста – не то качество, которое или есть, или его нет. Для хвоста любого размера и пушистости существует расстояние между ветками, которое удалось бы преодолеть, только если хвост был бы самую малость больше или пушистее. Поэтому у нас и получается плавный подъем к совершенству. А именно это нам и нужно для обоснования теории эволюции.
Пушистый хвост – не то же самое, что пара крыльев. Это даже не парашют, как у белки-летяги или шерстокрыла. Однако теперь вы легко поймете, как продолжать аргументацию. У любой белки под мышками есть маленькая кожная складочка. Эта складочка чуть-чуть увеличивает площадь поверхности белки, почти не прибавляя ей веса, и может увеличивать расстояние, которое белка может перепрыгнуть. Расстояния между ветками в лесу представляют собой сплошной континуум. Какое бы расстояние ни могла преодолеть конкретная особь, в кронах деревьев всегда найдутся две ветки, дистанция между которыми чуть больше – и ее может преодолеть другая белка, потому что у нее чуть больше площадь складочки под мышками. Тут у нас появляется основа для другого плавного подъема к совершенству. Что нам и требуется для обоснования теории эволюции. В конце этого подъема будет белка-летяга, сахарный поссум или шерстокрыл с полноценным патагием.
Но почему в конце подъема? Зачем останавливаться? Летучие мыши и шерстокрылы двигают конечностями, когда планируют, и это дает им возможность рулить полетом. Не будет ли совсем маленьким шагом вперед научиться двигать лапками ритмичнее и энергичнее, пока это не перейдет во взмахи крыльями, как у птиц? Начнем с того, что, если махать крыльями, это позволит лишь совсем немного удлинить дистанцию плавного спуска. Однако разве не очевидно, что рано или поздно животное научится продлевать полет неопределенно долго? Может быть, именно так и появились летучие мыши?
У шерстокрыла перепончатые лапы. Однако площадь перепонки составляет лишь малую долю площади большого патагия. Чтобы сделать летучую мышь из шерстокрыла, достаточно отрастить пальцы.
По воле случая нет никаких ископаемых, которые подсказали бы нам, когда летучие мыши впервые поднялись в воздух, но представить себе правдоподобную траекторию подъема к совершенству мы можем. Патагий шерстокрыла натягивается в основном между костями основных конечностей и хвоста. Однако у него есть перепонки и между короткими пальцами. У водяных птиц и млекопитающих встречаются перепончатые лапы, вспомним уток и выдр. Небольшие перепонки между пальцами бывают от рождения даже у некоторых людей. Это случается из-за одного любопытного явления в эмбриологии – так называемого апоптоза, программируемой смерти клетки. Во время развития эмбриона, в том числе и человеческого, пальцы сначала соединены перепонками, затем их клетки отмирают по тщательно запрограммированному плану. Программируемая смерть клеток – это один из приемов, применяемых, чтобы изваять эмбрион. Перепонки между пальцами есть у всех млекопитающих в утробе матери, а потом они остаются только у выдр и других водных обитателей, которым перепонки нужны, чтобы плавать. А еще – у летучих мышей, которым они нужны, чтобы летать. И у некоторых людей, у которых апоптоз не завершился.
В утробе матери у всех нас есть перепонки между пальцами. Некоторые их не утрачивают.
Пальцы у шерстокрыла короткие. Сразу видно, как какой-нибудь предок шерстокрыла мог постепенно отращивать пальцы с перепонками и в конце концов стал летучей мышью. Шерстокрылы – одинокая ветвь генеалогического древа, у них нет близких родственников среди других млекопитающих. Ближайшие ныне живущие их родичи после приматов – летучие мыши. Даже если бы они не были родственны летучим мышам, моя логика все равно была бы надежной. Задача приобрести в ходе эволюции патагий, а затем и крылья для предков летучих мышей была отнюдь не сложной, а напротив, совсем простой: достаточно лишь воздержаться от апоптоза, а параллельно удлинить кости пальцев относительно костей передних конечностей. А догадаться, каково было требование естественного отбора, просто до очевидности: постепенное, по сантиметру, увеличение дистанции прыжка, сопровождаемое постепенным удлинением пальцев с перепонками, что давало возможность тонко управлять конфигурацией летных поверхностей. Затем появилось умение махать крыльями, и кульминацией всего этого процесса стал настоящий полет.
Здесь я должен упомянуть, что ученые отстаивают две соперничающие теории того, как позвоночные встали на путь полета. Одна теория – “с деревьев вниз”, другая – “с земли вверх”. Пока что я упоминал только первую. Признаюсь, мне она больше нравится. Но каждая теория справедлива для разных летающих животных. Например, летучие мыши, вероятно, возникли согласно теории “с деревьев вниз”, а птицы – “с земли вверх”, к которой мы сейчас обратимся. Птицы произошли от рептилий, уже покрытых перьями и бегавших на задних лапах. Их предками были динозавры – родичи легендарных грозных тираннозавров.
Бегать на двух ногах можно очень быстро, что доказывают сегодняшние страусы. А если быстро бегаешь на задних ногах, передние конечности участвуют в этом лишь косвенно, в отличие от конечностей галопирующих млекопитающих. Тогда, возможно, им удастся найти другое применение. Спортсмены во время бега энергично машут руками вперед-назад. Страусы при помощи “рук” (или укороченных крыльев, унаследованных от предков) ловят равновесие, особенно на поворотах.
Вероятно, рептилиям было экономичнее бегать, перемежая шаги прыжками. Перья, которые первоначально возникли в ходе эволюции для теплоизоляции, помогали прыгать примерно так же, как пушистые хвосты помогают белкам. Особенно перья хвоста и передних конечностей, которые делали прыжки длиннее – так же, как патагий. Тут, вероятно, оказывалось очень полезно растопыривать передние конечности ради равновесия, так из них и получились рудиментарные крылья, которые еще не позволяли летать по-настоящему, но помогали прыгать. Как бы далеко ни могла прыгнуть рептилия без оперенных передних конечностей, у нее это получалось чуть-чуть дальше, если она их растопыривала. Мы уже знаем, что павлины и фазаны летают неважно, их полет – не более чем затяжной прыжок, при помощи которого птицы избегают опасностей. С течением поколений наблюдался плавный подъем ко все более и более длинным прыжкам ради спасения при содействии все более и более увеличивавшейся площади поверхности оперенных передних конечностей, и кульминацией стали настоящие полеты на произвольные расстояния.
Если обратиться от добычи к хищникам, в нашем распоряжении “теория прыгающего хищника”. Согласно этой гипотезе, существовала какая-то разновидность оперенного динозавра, которая специализировалась на охоте из засады. Это животное пряталось в каком-то месте, откуда открывался хороший обзор, и ждало, когда мимо пройдет добыча. После чего прыгало. Оперенные крылья и хвост ненадолго удерживали хищника в воздухе, а следовательно, он мог наброситься на добычу с большего расстояния. Затем, вероятно, следовал постепенный подъем к совершенству – в постепенном увеличении длины прыжка за добычей.
Существует и еще один вариант теории “с земли вверх”, основанной на беге. Насекомые открыли полет задолго до всех позвоночных, и рои летающих насекомых служили богатым источником пищи, который только и ждал, когда позвоночные разовьются в ходе эволюции настолько, что смогут им пользоваться. Вероятно, быстроногие рептилии прыгали в воздух, чтобы поймать их. Щелкали на них зубами, как сегодняшние собаки. Или, словно кошки, тянулись к ним ловкими передними лапами. Обычная домашняя кошка может подпрыгнуть в воздух на целых два метра и ловит вытянутыми лапами не только насекомых, но и птиц. Так делают и крупные кошачьи, например леопарды, но они ловят более крупных птиц. Делали ли что-то подобное древние рептилии, когда охотились на летающих насекомых? Помогали ли им в этом зачаточные “крылья”, еще не научившиеся летать?
Прежде всего взглянем на знаменитого ископаемого археоптерикса. Во многих отношениях это было промежуточное звено между птицами и животными, которых мы привыкли считать рептилиями. У археоптерикса были крылья совсем как у современных птиц, но с торчащими пальцами. В отличие от современных птиц, у него были зубы как у рептилии. Впрочем, напрасно я говорю о современных птицах: покойный Стивен Джей Гулд в одной из своих прелестных книг по естественной истории Hens Teeth and Horse's Toes (“Зубы курицы, пальцы лошади”) описывает, как изобретательные эмбриологи-экспериментаторы сумели заставить эмбрионы цыплят отрастить зубы. В лаборатории они восстановили древнюю способность, утраченную много миллионов лет назад. Еще у археоптерикса был длинный костистый хвост рептилии, который, несомненно, служил важной летательной поверхностью и стабилизатором наряду с крыльями.
Археоптерикс ближе к рептилии-предку всех птиц, поэтому он служит промежуточным звеном. У него были зубы, торчащие пальцы и длинный стабилизирующий хвост.
Как предполагают некоторые ученые, предки археоптерикса обнаружили, что их перья помогают при ловле насекомых. ГСерья на передних конечностях стали такими длинными, чтобы служить своего рода сачком – загребать летающих насекомых. А потом оказалось, что перьевой сачок служит и примитивной летательной поверхностью. Оперенные конечности помогали рептилии в прыжке ловить в свой сачок даже тех насекомых, которые летали относительно высоко (археоптерикс, несомненно, летал, хотя и не совсем так, как современные птицы. Согласно гипотезе, которая здесь обсуждается, использование передних конечностей в качестве встречных сачков сформировалось на предыдущем эволюционном этапе). Летательная поверхность должна быть довольно большой по площади, но и сачок для насекомых тоже. Когда археоптерикс прыгал в воздух за насекомым, сачок служил ему простейшим крылом, которое увеличивало и дальность, и высоту прыжка. Загребающее движение крыла при ловле насекомого, вероятно, напоминало взмах крыла птицы, и это давало дополнительную подъемную силу. Постепенно передние конечности утратили функцию сачка, и на смену ей пришла функция крыла. Таким образом, согласно этой теории, у птиц в ходе эволюции появилась способность летать по-настоящему, махая крыльями. Признаться, мне “теория сачка” и остальные теории из ряда “с земли вверх” представляется менее правдоподобной, чем теория “с деревьев вниз”, однако я упоминаю о них здесь ради полноты. Однако у теории “с земли вверх” есть одна разновидность – теория “бегом вверх по наклонной”.
Наземные животные нередко взбегают по стволам деревьев, например, чтобы спастись от хищников. Не все деревья стоят строго вертикально. Некоторые поваленные сухие деревья или отломанные сучья обеспечивают наклонную опору. Представьте себе, что пытаетесь взбежать вверх под углом в 45°. Тут можно помочь себе, махая оперенными передними конечностями. Это еще не крылья, они недостаточно развиты, чтобы парить в воздухе, но если махать ими, когда бежишь вверх по наклонному стволу, они дают ту самую капельку дополнительной подъемной силы и равновесия, которая все меняет. Так что и здесь мы наблюдаем постепенный подъем к совершенству – и в переносном, и в буквальном смысле. И пока протокрылья развивались для покорения наклона в 45°, они автоматически были доступны для усовершенствования, которое позволило бы им преодолеть наклон в 50°.
И так далее. Все это на вид несколько спекулятивно, но ученые уже провели прелестные эксперименты над австралийскими большеногами.
Этих птиц иногда называют кустарниковыми индейками, на самом деле они не индейки. Их так прозвали, поскольку они больше всех остальных австралийских птиц похожи на американскую индейку. Семейство большеногов разработало в ходе эволюции интереснейший метод высиживать яйца. Они на них не сидят, а строят огромную компостную кучу и зарывают яйца в нее. Бактерии в гниющем компосте вырабатывают тепло, поэтому куча становится инкубатором. Яйца в процессе инкубации очень чувствительны к температуре. Если в куче не слишком тепло, они снимают часть материала с верхушки кучи и добавляют новый слой, если в ней слишком холодно. В ходе эволюции клюв у них приобрел функцию термометра, и они втыкают его в компост, чтобы измерить температуру.
Я не смог устоять перед соблазном привести здесь это маленькое отступление. Птенцы болыпеногов вылупляются уже очень бойкими и самостоятельными. Иначе никак, поскольку родителей рядом нет и присмотреть за ними некому. Примечательно, что уже на следующий день вылупившиеся птенцы уже умеют летать. Они чаще всего убегают от хищников вверх по древесным стволам. И при этом машут крыльями, чтобы подняться повыше. Очевидно, что в прошлом менее развитые крылья помогали предкам болыпеногов взбираться по наклонным стволам. Причем крылья полезны, только если ими махать, как машут ими сегодня птенцы болыпеногов. Мы снова наблюдаем постепенный подъем к совершенству, именно такие подъемы нужны нам, когда приходится объяснять, “что толку в половине крыла”. Вопреки утверждениям креационистов, не так уж трудно представить себе множество сценариев, по которым в ходе эволюции возникло умение летать – возникло постепенно, шаг за шагом. Множество сценариев, при которых лучше половина крыла, чем его отсутствие.
А как же насекомые, которые открыли полет за сотни миллионов лет до позвоночных? Сегодня у большинства насекомых есть крылья, хотя некоторые (скажем, блоха) утратили их, хотя произошли от крылатых предков. Их называют вторичнобескрылыми. Как мы уже знаем, рабочие муравьи и термиты произошли не просто от крылатых предков, а от крылатых родителей. Есть также некоторые первичнобескрылые насекомые, в том числе чешуйницы и ногохвостки, у чьих предков никогда не было крыльев.
Как у всех членистоногих (насекомых, ракообразных, многоножек, пауков, скорпионов и т. д.), тело насекомых состоит из сегментов. Особенно наглядно эта структура видна у многоножек. Они устроены словно поезд из множества вагончиков, выстроенных друг за другом, и у каждого сегмента есть свои ножки. У других членистоногих, например у раков и насекомых, сегментация тоже есть, но она несколько сложнее – разные сегменты (вагончики) в ходе эволюции стали непохожи друг на друга. В поездах тоже иногда много одинаковых вагонов, а иногда у них мало общего, кроме колес и одинаковых механизмов сцепки. Мы, позвоночные, тоже сегментированы, это очевидно по устройству позвоночного столба. Но сегментирована у нас даже голова, надо лишь присмотреться к ней, особенно у эмбриона.
У насекомых первые шесть сегментов составляют голову, однако они срощены, поэтому не сразу заметно, что структура у них как у поезда. То же самое мы наблюдаем у млекопитающих. Следующие три сегмента – грудь. Остальные сегменты составляют брюшко. Каждый из трех сегментов грудки снабжен парой лапок, а у большинства насекомых на двух последних грудных сегментах есть еще и крылья. Мухи (и их родичи, в частности, комары и гнус), как мы уже знаем, – особый случай, поскольку у них только одна пара крыльев, а вторая пара в ходе эволюции уменьшилась и превратилась в гироскопы-жужжальца.
В отличие от крыльев позвоночных, крылья насекомых – не видоизмененные конечности. Мы видели, что это отростки панциря груди. Все шесть ножек освобождаются для ходьбы. По поводу того, как появились крылья, есть много разных теорий. Многие летающие насекомые проходят личиночную стадию развития, и их личинки живут в воде, а на воздух выходят только взрослыми насекомыми. Некоторые такие личинки – нимфы — дышат под водой при помощи жабр. Эти жабры похожи не на рыбьи, а на жабры головастиков – они представляют собой перистые отростки. Некоторые ученые полагают, что крылья насекомых развились из видоизмененных жабр. Другая теория гласит, что водяные нимфы приобрели “паруса”, чтобы скользить по поверхности воды, а в дальнейшем они превратились в крылья.
Главенствующая в наши дни теория объясняет, что маленькие отростки экзоскелета на груди насекомого сначала служили не летательными поверхностями, а своего рода солнечными батареями, увеличивавшими поверхность тела, чтобы улавливать солнечный свет и греть насекомое. Авторы этой теории проделывали опыты на моделях насекомых, частично в аэродинамической трубе. Результаты указывают, что очень маленькие грудные отростки лучше годятся для того, чтобы впитывать солнечный свет, чем для того, чтобы улучшать аэродинамику. А чем больше становились эти зачатки крыльев, тем лучше было для аэродинамики. При исследовании свойств плоских отростков на груди насекомого выяснилось, что существует некий пороговый размер, после которого летательная поверхность становится главным преимуществом, вытесняя солнечную батарею. Так что насекомым нужно было просто стать больше, что делается часто и без всякого труда по самым разным причинам. А когда и крылья у них стали больше, оказалось, что ими удобнее пользоваться в качестве летательных поверхностей, из этих отростков развились полноценные крылья.
Итак, согласно этой теории, первые шаги в сторону эволюционного подъема были проделаны ради солнечного тепла. А когда был преодолен пороговый размер, отростки стали пригодны сначала для парения, а затем и для взмахов с использованием мышц, которые уже имелись в груди насекомого: они машут в норме потому, что мышцы просто-напросто меняют форму груди. И задумаемся над тем, что лучшая панель для поглощения солнечного света должна быть тонкой – как крыло.
Летающая змея, живущая в джунглях, показывает, как можно летать, просто сделав тело плоским и вдвое увеличив его ширину – и после этого, извиваясь, “плыть” по воздуху с дерева на дерево.
Теорий предлагается много, и какая бы ни пришлась вам по душе, мы так или иначе приходим к выводу, что вопрос “что толку в половине крыла?” – не проблема. И у насекомых, и у птерозавров, и у птиц, и у летучих мышей постепенная, шаг за шагом, эволюция путем естественного отбора отвечает на него сама.
326
2023.09.17 10:30:47
