Миллионы лет эволюции позволили птицам максимально приспособиться к полёту. И даже те пернатые, что летать давно разучились, обладают двумя ключевыми отличиями в строении скелета и дыхательной системы. У всех птиц хотя бы часть костей полые, как говорят орнитологи, «пневматические», чтобы максимально сократить вес животного, притом не слишком теряя в прочности.
И у всех птиц удивительная система дыхания. Лёгкие у них – не конечная станция, а промежуточная остановка в движении газа. Пока меньшая часть воздуха, который вдохнула птица, отдаёт кислород крови в лёгких, большая часть вдоха отправляется в воздушные мешки, так что при выдохе лёгкие опять заполняются свежим воздухом.
У такой системы два преимущества, хотя какое из них первично, неясно. Во-первых, мышцы, интенсивно работающие в полёте, непрерывно снабжаются кислородом. Во-вторых, снижается средняя плотность тела и, при заданных размерах, вес животного. Конечно, до откровенного плавания в воздухе не доходит – в отличие от рыб, снаружи у птиц та же среда, которой заполнены «плавательные» пузыри. Но всё-таки лететь такому «недодирижаблю» проще.
Как выясняется, птицы не первые, кто «додумался» до такой системы.
Птерозавры, парившие в небе задолго до птиц, также имели воздушные мешки – на 70 миллионов лет раньше.
Соответствующие доказательства Леон Классенс из Колледжа Святого Креста в американском штате Массачусетс и его коллеги из Огайо и Великобритании представили в статье, опубликованной в последнем номере PLoS ONE.
Учёные давно уверены, что птерозавры летали примерно так же, как современные птицы, и уже первые представители этой группы ящеров, жившие ещё в конце триаса, более 200 миллионов лет назад, не просто планировали, а по-настоящему летели, хлопая своими кожистыми крыльями. Однако подбить «энергетический» баланс такого полёта не удавалось: если птерозавры были устроены так, как их не летавшие предшественники, то энергии на полёт им не должно было хватать – слишком тяжелы были эти животные.
Во-первых, им приходилось таскать на шее череп с гигантскими челюстями. Во-вторых, далеко не все дошедшие до наших дней окаменевшие кости не похожи на птичьи – признаки пневматики учёные находят только в более поздних птерозаврах из мелового периода. А в-третьих, было очень веское свидетельство против наличия у птерозавров воздушных мешков: их грудная клетка была так же жёстко закреплена, как и наша, и сколько-нибудь заметно сжимать и разжимать рёбра ради циркуляции воздуха в воздушных мешках древние ящеры, казалось, были не способны.
Против последнего пункта и возражают Классенс и его коллеги. В 2003 году куратор берлинского Музея естественной истории Дэвид Унвин показал учёным прекрасно сохранившиеся окаменелости Anhanguera santanae, жившего в первой половине мела, примерно от 145 до 100 миллионов лет назад. По его прекрасно сохранившимся рёбрам учёные попробовали восстановить всю дыхательную систему динозавра.
Классенс обратил внимание на важную деталь, до сих пор ускользавшую от внимания палеонтологов – крохотные отростки на сегментах рёбер, сообщавшихся с грудной клеткой и подобием килевой кости, имевшимся у птерозавров. По мнению учёных, за эти выросты цеплялись мышцы, разжимавшие и сжимавшие грудь в процессе дыхания. К сожалению, за 100 с лишним миллионов лет все следы самих мышц полностью исчезли, но другие особенности строения рёбер также указывают на мобильность грудной клетки, пишут авторы.
По их мнению, эти подвижные кости – части гигантского насоса, обеспечивавшего достойную циркуляцию воздуха через систему воздушных мешков.
Сравнивая устройство дыхательной системы ближайших родственников вымерших ящеров – птиц и крокодилов — с особенностями строения скелетов трёх групп животных, учёные построили модель устройства мезозойского «недодирижабля».
Воздушные мешки занимали чуть ли не всё внутреннее пространство. Вдыхаемый воздух сначала проходил через шейные мешки, потом направлялся в лёгкие, а оттуда в два мешка – в задней части туловища (летящего животного) и в грудной, нижней. Кроме того, не исключено, что значительная часть воздуха запасалась в своего рода «грыже» на крыльях – между слоями мышц и наружных покровов ящера.
Как конкретно происходила циркуляция – куда и в какой последовательности шёл воздух, учёные пока точно сказать не могут. Они даже не уверены, что лёгкие летающих ящеров впитывали кислород и на выдохе, как у современных птиц, но это, без сомнения, повысило бы энергетическую эффективность животных.
Тем не менее учёные уверены, что именно адаптация дыхательной системы стала ключевым фактором развития птерозавров.
Притом двояко. Для гигантов, паривших над водами позднего мелового периода, – снижение средней плотности тела за счёт большого объёма воздушных мешков и пневматизации большинства костей. Для маленьких, но юрких птерозавров (были среди этих страшных ящеров и особи размером с воробья) важнее оказалось само наличие воздушных мешков, повысившее эффективность дыхания.
В общем, всё примерно так же, как у современных птиц, только почти на сотню миллионов лет раньше. Впрочем, удивляться такому совпадению не стоит – в конце концов, все эти выводы были сделаны из сравнительного анализа с теми же самыми пернатыми.