Возможно, вы слышали, что птицы — это выжившие динозавры. У них покрытые чешуёй лапы, они откладывают яйца, да и походкой немного напоминают «классических» динозавров, которых показывают в документальных фильмах. А их длинным клювам, кажется, недостаёт только зубов. В птицах легко увидеть тех самых доисторических рептилий, которым просто больше повезло, — и это, конечно, не совсем так, хотя доля истины в таком взгляде есть. Сегодня мы поговорим об эволюции пернатых и птичьих секретах, а также о научных исследованиях, помогающих учёным лучше понять природу птиц и установить их родство с гигантскими ящерами.
Велоцираптор относится к семейству дромеозавридов, у которых общий предок с птицами
Fred Wierum [CC BY-SA 4.0]
Итак, кто же такие птицы? Можно ли их назвать потомками динозавров? Скорее нет, чем да: лучше воспринимать птиц как их ближайших родственников — вроде двоюродных братьев.
Современная систематика относит класс птиц к кладе манирапторов — одной из групп тероподовых динозавров, куда входят в том числе и тираннозавры. Да-да, гигантские тираннозавры из кинофантастики и шустрые воробьи на самом деле очень близки друг другу! Первые представители этой клады появились, судя по всему, ещё в юрском периоде (200–145 млн лет назад). У всех манирапторов, выживших и вымерших, помимо мелких анатомических особенностей есть и несколько более крупных общих черт: вытянутые передние конечности, не предназначенные для ходьбы (этими «руками» чаще что-то хватали), длинный четвёртый палец на задних лапах и подвижный хвост, способный работать в качестве балансира. А вот перья были характерны не для всех, хотя и часто встречались.
В позднем юрском периоде из манирапторов образовалась крупная группа парáвесов — предптиц. Практически все паравесы уже имели перья, но, судя по всему, передвигались на двух ногах и были строгими хищниками. Позже они дали жизнь сразу нескольким таксонам: дромеозавридам, троодонтидам и птицам. Первые два семейства могли похвастаться оперением, а вот летать не умели: их передние конечности служили для захвата жертвы. И те, и другие просуществовали до конца мелового периода (закончился около 60 млн лет назад), после чего вымерли. Птицам же повезло больше: их эволюция продолжилась.
Интересно, что птерозавры — и птеродактили, как отдельный представитель крупного таксона, — к птицам не относятся. Как и динозавры, они приходятся им лишь дальними родственниками.
Судя по всему, птерозавры были квадропедальными — по суше передвигались на четырёх конечностях, а не на двух, как птицы
Mark Witton [CC BY-SA 4.0]
Птерозавры, хотя и были способны к настоящему машущему полёту, сильно отличались своей анатомией. Их крылья формировались кожистыми перепонками (почти как у современных рукокрылых), многие из них на суше передвигались на всех четырёх лапах, а вместо перьев они имели специфичные только для этого таксона пикнофибры — похожие на волоски выросты, иногда разветвлённые. Пикнофибры выполняли функцию перьев, однако образовались благодаря другим механизмам.
По всей видимости, птерозавры были первой попыткой природы «придумать» летающее существо и, судя по палеонтологическим данным, не выдержали конкуренции с птицами. Есть версия, что последние из-за своих небольших размеров быстро заняли основные экологические ниши, птерозавры же были вынуждены становиться всё больше и больше, а крупные виды всегда гораздо чаще вымирают, чем мелкие.
Впрочем, это только одна гипотеза о вымирании гигантских летающих ящеров. Есть и другие, но среди них нет принятой за истину. Истиной остаётся одно: когда-то давно — а по масштабам Вселенной совсем недавно — на Земле появилось первое птицеподобное существо.
Могло ли так сложиться, что гигантские ящеры сохранились до наших дней? И каким бы стал тогда мир?
Загадка эволюции
Скорее всего, археоптерикс — одна из переходных форм между рептилиями и птицами
Durbed [CC BY-SA 3.0]
Самой ранней пташкой традиционно считают археоптерикса, и его название «древнекрылый» это отражает. Однако в реальности всё гораздо сложнее, поскольку птицей он не был.
Археоптерикс жил в юрском периоде, около 150 млн лет назад, и, судя по раскопкам и реконструкциям, действительно был похож на небольшую зубастую птицу — но лишь похож. На самом деле он представлял собой нечто среднее между птицей и более ранними рептильными родственниками, причём с сильным перекосом в сторону последних. Строение костей и таза, а также зубастость определённо указывают на «рептильность», поскольку у птиц настоящих зубов нет — лишь у некоторых встречаются зубоподобные хрящевые выросты на дёснах. Они помогают удерживать скользкую добычу: такие есть, например, у пингвинов и гусей. Перья тоже не исключительно птичья особенность: они появились задолго до археоптерикса и настоящих птиц и обнаруживались даже у динозавров.
Учёные до сих пор спорят между собой о том, куда, собственно, отнести археоптерикса. В своём маленьком исследовании мы не станем затрагивать систематику и кладистику, а просто согласимся, что ряд птичьих черт археоптерикс действительно имел, но называть его только из-за этого птицей неверно.
Название клада энанциорнисов переводится как «противоположные птицам»
Durbed [CC BY-SA 3.0]
Какими же прогрессивными чертами обладал археоптерикс? В первую очередь у него были сильные крылья с маховыми перьями, а это значит, что он, в отличие от большинства пернатых динозавров, возможно, не планировал, а по-настоящему летал. Найденные перья археоптерикса строением мало отличаются от перьев современных птиц. Они покрывали всё тело археоптерикса, включая хвост, — и эта черта тоже выделяет его среди других рептилий.
Тем не менее у археоптерикса ещё не было множества значимых для птиц приобретений: в частности, пигостиля — срощенных хвостовых позвонков, важных для формирования птичьего хвоста. Он появился у другого вида — конфуциусорниса. Это существо уже куда больше походило на птицу, хотя и обладало рядом архаичных рептильных характеристик. Пигостиль помогает крепиться перьям хвоста, что увеличивает аэродинамическую приспособленность к полёту. Но и конфуциусорнис не был настоящей птицей: у него оставались когти на пальцах крыльев и зубы, а также свойственные для рептилий особенности строения скелета.
В меловом периоде (около 100 млн лет назад) появились энанциорнисовые птицы — своего рода антиптицы. Их было найдено множество, и все они — настоящая загадка. По скелету они сильно отличаются от птиц, как и по анатомии некоторых других важных структур тела. Строение их крыльев настолько необычно, что до сих пор никто толком не может объяснить механизм их действия и описать процесс полёта.
Двухметровых гесперорнисов можно назвать своеобразными пингвинами своего времени
Nobu Tamura [CC BY 3.0]
Тем временем эволюция не стояла на месте, и сформировался таксон — непосредственный «родитель» птиц: орнитуры, или птицехвостые, давшие начало сразу нескольким таксонам, среди них веерохвостые птицы и гесперорнисы. Последние бо́льшую часть дня проводили в воде, охотясь на рыбу, а на суше двигались неуклюже и перемещались, похоже, ползком. Благодаря перепонкам на лапах и длинному вытянутому пулеобразному телу они были эффективными и быстрыми подводными охотниками. Они имели зубы, но уже не во всю челюсть, а ещё вытянутый клюв.
И вот, в раннем меловом периоде (около 130 млн лет назад), появились наконец первые настоящие птицы — веерохвостые (или новые) птицы, предки всех ныне существующих и вымерших видов настоящих птиц. В них выделяют два крупных таксона: палеогнаты (бескилевые птицы) и неогнаты (новонёбные птицы). К последним относятся почти все современные пернатые — от куриц и аистов до колибри и пингвинов. Бескилевых же представляют лишь несколько отрядов: например, страусы, киви и казуары. У них особым образом устроено нёбо и отсутствует киль (вырост на грудине для крепления мышц), а ещё они не способны летать. Впрочем, последняя черта для таксона не уникальна: пингвины тоже не пользуются крыльями для полёта.
Кто же был первой настоящей птицей, предком и страуса, и киви, и курицы, и пингвина? Он появился около 90 млн лет назад в современной Южной Америке, тогда ещё соединённой с Антарктидой и Австралией. Как он выглядел, мы пока что не знаем: все данные о нём, как и предполагаемый период его появления, учёные получили при помощи филогенетики. Откопать настоящий скелет и реконструировать его палеонтологам только предстоит. Но в том, что это когда-нибудь произойдёт, сомнений нет.
Зубастые цыплята
У птенцов гоацина развиваются настоящие когти на пальцах — чтобы было удобнее хвататься за ветки, пока птица не умеет летать
J. Arthur Thomson
В компьютерной игре You Are Empty главный герой в какой-то момент попадает на ферму, где куры из-за какого-то препарата стали расти, пока не достигли гигантских размеров. Несмотря на то что внешне, кроме роста, в них будто бы ничего не поменялось, они стали поразительно похожи на условных велоцирапторов: длинные мощные ноги, сложенные по бокам передние лапы-крылья, вытянутые клювы… И неудивительно: они же родственники! Выяснить сам факт о родстве птиц и динозавров учёным оказалось недостаточно: им удалось ещё и заставить птиц… вернуться к былому! Самым известным экспериментом подобного рода стал эксперимент с зубастыми цыплятами.
Природа и эволюция крайне экономны. Ген, который когда-то давно у предкового организма синтезировал какой-то белок, не может просто так взять и исчезнуть из генома потомка. Безусловно, такое случается в ходе мутации или каких-то серьёзных перестроек, но и у нас с вами, и у птиц есть очень много генов, грубо говоря, не особо нужных. Наверняка вы читали или слышали о том, что иногда у людей дети рождаются с хвостом. У большинства из нас условные гены хвоста «молчат», и он остаётся лишь в виде срощенных позвонков — копчика. Копчик называют рудиментом — сохранившимся органом, который уже не выполняет исходной функции. К ним относят и волосяной покров, и мышцы уха, и зубы мудрости. Рудименты есть у всех животных, иногда очевидные, иногда скрытые от постороннего взгляда, как остатки нижнего пояса конечностей у китообразных. Память обо всём этом хранится в геноме.
У птиц тоже есть рудименты. Например, у гоацина (Opisthocomus hoazin) частично сохранились пальцы на передних конечностях, а у птенцов на них отрастают когти. Правда, когти настоящим рудиментом сложно назвать, ведь птенцы их активно используют, чтобы ползать по деревьям.
На ранних стадиях развития у всех человеческих эмбрионов есть хвост, который при нормальном течении беременности исчезает к 8-й неделе
Ed Uthman, MD
Другое дело, когда будто из ниоткуда появляются органы, сформированные древними, замаскированными генами. У некоторых такие молчащие гены начинают «говорить» — и просыпаются архаичные механизмы, формирующие те же структуры, что были у предковых форм. Они проявляются в виде атавизмов — признаков, свойственных далёким предкам. К ним относят хвост, дополнительные пары сосков, сплошной волосяной покров на теле и другие любопытные вещи. У змей, например, неожиданно могут дать о себе знать гены ног, а у слепых пещерных животных — гены, формирующие глаза. Это всё называют атавизмами.
У птиц бывает что-то похожее. Эксперименты по возвращению зубов птицам шли давно, но для этого долгое время использовали гены мышей. Зубы млекопитающих отличаются от зубов рептилий, поэтому у птиц они развивались плохо. Но оказалось, что использования чужих генов можно избежать.
В 2006 году группа ученых из университета Висконсин обнаружила любопытные «зубные» мутации у цыплят. На определенном этапе эмбрионального развития на их деснах появлялись конические зубы, как у аллигаторов и других рептилий. Оказалось, что у цыплят была мутация в гене talpid2. Глава группы Мэтью Харрис пошёл дальше и научился выращивать зубы у обычных, не мутировавших цыплят. Он обнаружил, что на ранней стадии эмбриогенеза у всех птиц закладывается специальная ткань, которая, если ей не мешать, потом формирует зубную пластинку. В норме эта ткань быстро рассасывается и развитие птиц идёт дальше, минуя зубастую стадию. Но при помощи мутационных препаратов на основе вируса можно напомнить птичьим дёснам, для чего они нужны, — то есть простимулировать рост зубов на молекулярном уровне.
Зубы у гусей, конечно, не настоящие — это просто выросты на дёснах. Однако, глядя на них, вы можете легко представить себе зубастых птиц. Вот и живите теперь с этим.
Стало понятно, что в каждой курице до сих пор спит древний ящер, и пробудить его в целом не так уж сложно. Причём зубы у эмбрионов птиц на самом деле были описаны ещё два столетия назад, в начале XIX века, но тогда над Этьенном Жоффруа Сент-Илером — учёным, описавшим открытие, — просто посмеялись. Какие могут быть зубы у птиц! Однако с точки зрения эволюции птицы «потеряли» зубы совсем недавно — всего около 70 млн лет назад, а потому неудивительно, что гены остались способны формировать пусть и не настоящие острые зубы, но хотя бы их зачатки.
Изучать эмбриогенез вообще крайне полезно — не только для того, чтобы лучше понимать физиологию взрослых особей, но и для того, чтобы установить, через какие стадии проходит существо в своём развитии. Например, наблюдение за эмбриогенезом голубя показало тот этап формирования крыла, когда оно практически не отличается от передней конечности древнего археоптерикса — те же три длинных пальца. В дальнейшем они срастаются, образуя прочную вытянутую конструкцию, подходящую для крыла, но гены «помнят» прошлое и начинают с архаичной структуры, характерной для первоптиц. Более того, в эмбриогенезе у птиц даже есть хвост — обыкновенный длинный хвост из множества позвонков. Его гены включаются ненадолго, и позже эти позвонки плотно срастаются, образуя пигостиль.
От своих вымерших родственников птицы также отличаются общим строением скелета, что выражается не только в полете, но и в походке. Здесь интересен эксперимент, в котором ученые создали из пластика на 3D-принтере длинные тяжелые «динозавровые» хвосты, а потом надели их на цыплят и растили их в таком виде. Походка подрощенных куриц удивительно напоминала то, как, вероятно, шагали динозавры — на двух ногах вразвалку, раскачивая хвостом как балансиром. Цыплята, которым такие хвосты надели практически сразу после вылупления, даже не замечали неудобства: их скелет подстроился и сформировался таким образом, чтобы носить ношу было легко. Причём сформировался он по тероподовому паттерну: хвост смещал центр массы курицы назад, из-за чего бедренная кость занимала более вертикальное положение, чем это свойственно птицам. Оказалось, что добиться «динозавровой» анатомии можно даже не вмешиваясь в эмбриогенез!
Эксперимент, в котором цыплятам привязывали хвост динозавра, получил Шнобелевскую премию 2015 года в номинации «Биология»
Bruno Grossi
Возникает справедливый вопрос: если в геноме птиц всё ещё есть «динозавровые» гены, пусть и в спящем состоянии, можно ли из домашней курицы или дикого страуса вывести настоящую древнюю рептилию? Вероятно, да — с той лишь поправкой, что динозавром в классическом понимании этого слова новое существо всё равно не станет. Это будет синтез современной птицы и более древнего предшественника — совершенно уникальное создание, порожденное человеком. Даже опуская вопросы этики и морали, сложно предположить, во что это выльется. Что, впрочем, не отменяет простого научного интереса.
