Конвергенция, аналогия и гомология

 

Люди любят выискивать шаблоны. Наверное, это заложено где‑то в глубинах нашего мозга. Мы постоянно этим занимаемся. Мы говорим: «этот цветок похож на тот», или «это облако напоминает дракона». Квинтэссенцией такого мышления должна стать проверенная временем фраза «по вкусу как курица». Узнавание шаблонов, несомненно, способствовало нашему выживанию, помогая нам распознать хорошие продукты, опасных хищников, членов семьи и т. д. Однако, когда дело доходит до понимания эволюции, эта тенденция имеет достаточно необычные последствия. Она обманывает нас, заставляя видеть связь там, где ее нет, и не замечать того, что очевидно. С другой стороны, такая тенденция подспудно обнажает физические законы, которые имеют такое большое влияние на естественный отбор. Могу предположить, что вы даже не подозреваете о том, как много вы знаете об эволюции.

Склонность человека к выискиванию шаблонов привела ранних натуралистов к классификации организмов, производимой на основе их внешних признаков. Такая система стала началом познания ошеломительного разнообразия жизни. Необязательно было становиться специально обученным натуралистом, чтобы понимать, что, хотя пчелы летают, они принципиально отличаются от птиц. Вы наверняка не сомневаетесь в том, что птицы и летучие мыши имеют гораздо больше общего друг с другом, чем с пчелами. Еще шаг – и вы можете сказать, что пингвины более тесно связаны с воронами, чем они с раками, хотя и те, и другие плавают. Такая морфологическая классификация вдохновила шведского зоолога Карла Линнея на создание поименной классификации, которой биологи пользуются для распределения по категориям всех известных видов и по сей день.

Тем не менее совсем несложно представить себе иную систему классификации живых существ, основанную на их действиях и способностях, а не на внешности. Пчелы, птицы и летучие мыши могут летать. Их крылья выглядят совершенно по‑разному, но каждый из них и связанных с ними групп животных, имеют аналогичные структуры, которые решают аналогичные проблемы. Им надо питаться, спариваться и размножаться. Все они сошлись на одинаковом или аналогичном решении проблемы полета. В биологии это называется конвергентной эволюцией, где крылья считаются аналогичной структурой. И все же, посмотрите внимательно, и вы увидите, что по структуре эти крылья очень разные, да и появились они на совершенно разных этапах истории жизни на Земле.

Для понимания смысла эволюции необходимы оба способа анализа и классификации живых существ. Если физические структуры организмов различаются, но их функции аналогичны или даже идентичны, то, значит, эти виды имеют весьма отдаленную связь. Если структуры органов и костей почти одинаковы – значит, у них тесная связь, даже если их формы довольно разные. Генетический анализ – это еще один способ проверить степень родства между двумя видами, независимо от того, насколько похожими или разными они могут казаться.

Когда дело доходит до полета, каждое существо сталкивается с одними и теми же проблемами физики, теми же самыми уравнениями механики и энергии. Чтобы летать, нам нужно, чтобы воздух под нами двигался с достаточной силой для того, чтобы удерживать вес летящего объекта, будь то ястреб, оса, истребитель F‑18 «Хорнет», летучая рыба или летучая мышь. Посмотрите на птицу – чем она больше, тем лучше. Ее крылья двигаются вниз и вверх. Если вы когда‑либо учились плавать стилем баттерфляй, то это похожие движения. Вместо зачерпывания воды и отбрасывания ее назад, птицы захватывают воздух и отталкивают его вниз и назад. Это обеспечивает телу подъем и тягу. В физике все, что течет, считается жидкостью. Так что, как вода и кленовый сироп, воздух тоже может считаться жидкостью. В полете можно делать особый трюк, о котором мы можем знать сознательно или бессознательно.

Когда крыло или плоская поверхность движется сквозь жидкость, она может развивать подъемную силу, просто отклоняя потоки. Подъем происходит в тот момент, когда создается так называемый угол атаки. Поэтому, когда сокол находится в воздухе, он может создать подъемную силу, летя по ветру. Он может взмыть вверх, используя энергию ветра и угол атаки своих крыльев. Важным фактором для любого летательного объекта, будь он сотворен природой или человеком, является то, что он легковесен. Птицы сохраняют низкий вес благодаря полым костям и тому, что большая площадь их крыла покрывают перья. Перья, состоящие из примерно того же материала, что и наши ногти, обладают удивительной для своего веса силой, а растут они так, что смыкаются, образуя почти единую поверхность. С помощью мускулов, расположенных под точками крепления перьев, птицы могут так плотно сжимать их, что между ними практически не проходит воздух. Или птицы могут вывернуть свои перья наружу, словно лопасти пропеллера или вентилятора. Перья на кончиках крыла обеспечивают некоторое движение вперед, в то время как внутренние перья обеспечивают подъем. Птицы могут управлять конфигурацией каждого пера с поразительной эффективностью.

Крылья пчел работают не так, по крайней мере, не совсем так. Вместо крыльев с перьями, каждое из которых может закручиваться, создавая разные углы, пчелы имеют четыре крылышка. Если посмотреть на них повнимательнее, можно различить по две пары с каждой стороны тела. Как только пчела поднимается в воздух, крылья с каждой стороны тела соединяются друг с другом с помощью крошечных крючков («hamuli» по‑латински – «крючки»), формируя два единых крыла по обе стороны ее туловища (большинство пчел, которых мы наблюдаем – самки). Пчелиные крылья очень гибкие. С помощью мышц, которые занимают большую часть пространства грудной клетки пчелы, пчелы отбрасывают свои крылья вниз и назад, что напоминает движение крыльев птиц, только выглядит чуть более суматошно.

Фотографии, выполненные в высокоскоростном режиме, дали возможность увидеть, что пчелы поворачивают свои крылья в тот момент, когда возвращают их из положения сзади, а затем проводят крыльями вперед, чтобы начать следующее движение взмаха. Поначалу в такое трудно поверить. Попробуйте сами – вытяните руки перед собой. Поднимите ладони вперед и проведите руками дугу, отводя их так, будто отталкиваете воздух назад и вниз. Когда прямая рука оказывается позади вас, поднимите ее вверх, продолжая начатую окружность так, чтобы тыльная сторона смотрела в пол, а ладонь была обращена наверх. Верните руку в ее вывернутом положении в исходную позицию. У нас так не получится. А вот пчелы делают то же самое со скоростью 230 раз, и не в минуту, а в секунду. Это поразительно. Пчелы создают подъем или восходящий импульс как при движении крыльев вниз, так и при их поднятии в исходное положение. С ума сойти! Они создают тягу, когда машут крыльями и вверх, и вниз, и вверх, и вниз, а все потому, что их крылья помещены в углубления, которые позволяют им крутить крыльями таким, по человеческим меркам, нестандартным образом. Неудивительно, что в «Хотите верьте, хотите нет» Рипли говорилось о том, что пчелы бросают вызов законам аэродинамики (первый абзац этой книги). В 1960‑х годах полеты пчелы еще не изучались.

Летучие мыши немного напоминают и птиц, и пчел, а все из‑за строения своих крыльев. Как и птицы, летучие мыши не могут выворачивать свои крылья наизнанку. Как и у пчел, крыло летучей мыши представляет собой единую, хотя и гибкую, мембрану. У крыльев летучих мышей, птиц, пчел есть общее качество – поверхность крыла, которую они обращают к потоку воздуха, изогнутая и гибкая. Птицы добиваются этого тем, что каждое перо в их крыльях может двигаться практически независимо друг от друга. Крылья пчел – это гибкие мембраны, натянутые между заполненных жидкостью вен. Крылья летучей мыши представляют собой кожу, растянутую на костяном остове. Все эти конструкции зачерпывают воздух и, двигаясь, отбрасывают его назад и вниз. В эволюционной биологии мы говорим, что эти крылья аналогичны. Теперь слово аналогично стало достаточно обыденным, но здесь, в этой дисциплине, оно используется особым образом, для описания определенного типа отношений. Пчелы, птицы, летучие мыши используют гибкие крылья, чтобы летать. Но все эти крылья в ходе эволюции развивались различными путями. Все они используют одни и те же принципы физики, но имеют очень разные конфигурации.

Загляните внутрь крыла летучей мыши и вы увидите, что оно совсем не похоже на крыло мухи. На что оно похоже, так это на это строение ваших рук. У вас есть плечевая, лучевая, локтевая кости, пять кистевых, пять пястных костей и пятнадцать фаланг. То же самое и у летучих мышей. И представьте себе – так же и у птиц. Это было одним из самых важных наблюдений и озарений Дарвина. Все эти кости находятся на одном и том же месте – что в руке, что в крыльях. Просто каждая из них как будто была немного вытянута или подогнана под другие кости для формирования единой структуры руки или крыла. В эволюционной биологии мы называем такие структуры и конфигурации гомологичными. Они имеют одинаковую форму, но недостаточно одинаковы с функциональной точки зрения. Мы с вами не можем летать. А летучие мыши не могут играть на пианино. Птицы могут петь, но они не могут держать куриную ножку. (Ой, простите…) Я нарисовал эскиз; он на следующей странице.

Этот аспект – гомология – является одним из неоспоримых доказательств процесса эволюции. Лишь взглянув на свои кости, можно сказать, что мы просто обязаны иметь что‑то общее с летучими мышами и птицами и даже птерозаврами – летающими рептилиями, которые жили одновременно с динозаврами. Конфигурация их костей очень сильно напоминает нашу. Это было нереальное количество времени назад: большее содержание кислорода в атмосфере ускоряло метаболизм, и крылья птерозавров были в три раза больше, чем у самых больших нынешних птиц. Они напоминали летающих драконов, и тем не менее в чем‑то они схожи с нами. Мы же и на пчел похожи, хоть и совсем немного. У нас обоих есть центральная нервная система. У нас обоих есть рот и анус. И у каждого из нас есть сердце. Но с другой стороны, мы также и различаемся. Шесть ног, крылья – простите, госпожа Пчела, это не мой стиль. Пальцы на руках и ногах – конечно, мистер Летучая мышь. Пчелы аналогичны летучим мышам. Летучие мыши аналогичны и гомологичны птицам и нам. Это безумие. Это эволюция.

 

 

И аналогия, и гомология удивительны и представляют собой ключ к пониманию того, откуда все мы пришли. Рассмотрим рыб и дельфинов. Рыбы дышат кислородом, растворенным в воде. Газы могут содержаться в жидкостях, словно пузырьки в пиве – внизу они сохраняются «в растворе», а наверху эти пузырьки лопаются. Рыба селится в воде любой температуры. Она разгоняет свой метаболизм до той скорости, до которой ей позволяет температура воды вокруг. Морские млекопитающие, например, дельфин, являются теплокровными; у них есть системы, которые отвечают за то, чтобы постоянно поддерживать температуру тела – прямо как и у нас. Конечно, они используют для этого калории, ведь их пища усваивается более эффективно, поскольку пищеварительные химические реакции проходят в теплом месте. Мы называем таких животных эндотермами («температура изнутри»), и мы тоже относимся к ним.

Но присмотритесь повнимательнее – и экзотермы и эндотермы, неважно жабры у них или легкие, имеют примерно одинаковую форму. Она нужна им, чтобы максимально эффективно скользить в воде. Вы можете заметить, что рыбьи хвостовые плавники расположены вертикально, в то время как китовый хвостовой плавник расположен горизонтально. Можно подумать, будто они совершенно разные. Ну функционально, не такие уж разные. Сравните с камбалой. Она вылупляется из икринок и сразу может плавать с помощью своего хвоста или хвостового плавника, ориентированного вертикально. Но когда у камбалы наступает период созревания, она переворачивается и проводит оставшуюся жизнь лежа на дне океана. Ее хвостовой плавник вместе со всем ее телом становится горизонтальным. Камбала может плавать, и при этом ее хвост не будет волочиться по дну. В то же время мы знаем, что прародители китов покинули землю и стали жить на мелководье, где горизонтальные плавники стали наиболее разумным решением – с ними удобнее плавать, ведь по дну ничего не волочится. Позже, когда их потомки приспособились к охоте в открытом океане, перекручивать хвост обратно не было никакой необходимости. Горизонтальный хвостовой плавник кита вполне справлялся со своей задачей и так.

Много раз, занимаясь подводным плаванием или дайвингом, я экспериментировал с ластами, складывая их во время плавания наподобие китового хвоста. В этот момент можно ощутить, что при погружении движешься немного быстрее, но при выныривании ты уже не так эффективен. У китов и морских свинок, судя по всему, такой проблемы нет. Они не шлепают ногами так, как это делаю я; они извиваются всем своим телом. Так как мой позвоночник по отношению к длине моего тела намного короче, чем у кита и его родственников, я не могу плавать с такой же эффективностью. Но я не унываю. Даже если наши кости совершенно гомологичны, я уверен, что легко мог бы победить касатку в утренней пробежке. Правда, если бы вдоль моего километрового трека проходил километровый бассейн, то касатка сделала бы меня одной левой ластой.

Мы можем и дальше развивать эту мысль… и даже в обратном направлении. Исследуя формы вымерших морских рептилий, таких как ихтиозавры («рыба‑ящерица», примерный современник динозавров), или еще более древних рыб, таких как Entelognathus («полночелюстная рыба», жила около 400 млн лет назад), мы наблюдаем те же обтекаемые гидродинамические формы, которые можно увидеть у современных акул, тунца и касаток. Чтобы плавать в море, у вас все должно быть гладким. Кстати, плавание в море отличается от космического плавания. Носовая часть корпуса ракеты, как правило, имеет утолщение, а далее сам корпус сужается по мере приближения к хвосту или оперению. Такая обтекаемость формы необходима для плавания и полета, даже если вы двигаетесь гораздо медленнее ракеты. Поэтому крылья птиц и самолетов, а также плавники рыбы тоже имеют утолщение впереди и затем сужение до самого своего конца.

Летучая рыба способна выпрыгивать из воды и летать по воздуху, таким образом, спасаясь от хищников. Представьте, что вы тунец или макрель и вы питаетесь рыбой. Это дело ваше, конечно. Плавая туда‑сюда, вы обнаруживаете рыбу, которая отлично подойдет для вашего обеда. Вы подплываете на высокой скорости и, распахнув челюсти, стремительно атакуете. И вдруг ваша добыча делает пару движений своими плавниками, взмывает вверх и исчезает. Можете представить, как обидно тунцу? Есть свидетельства того, что летучие рыбы могли делать прыжки длиной до 400 метров. Представьте, что вы макрель, а еще лучше – рыбак в лодке, который вдруг видит, как рыба, которую он пытается поймать, отпрыгивает на расстояние даже не одного, а чуть ли не четырех футбольных полей всего за несколько секунд – ну как тут не лишиться дара речи?.. Летучие рыбы встречаются в тропических широтах по всему миру. Их плавники имеют форму, которая позволяет им создавать импульс подъема в обеих субстанциях: в морской воде и в воздухе. Они могут скользить по морю и создают достаточную тягу, чтобы парить по воздуху. Их плавники являются аналогами крыльев птиц и гомологичны плавникам хищников, от которых они улетают.

Аналоговые структуры в живых организмах развиваются тогда, когда разные организмы от поколения к поколению прокладывают свой путь в окружающей среде. Эта тенденция работает как в отношении растений, так и с животными. Листья деревьев и листья морских растений (морские водоросли) служат тому примером: схожие формы, развившиеся независимо друг от друга. Это универсальный аспект адаптивного императива эволюции: приспособься или умри.

Пытаясь понять процессы, которые позволяют, а по сути, заставляют структуры постепенно изменяться, давая возможность новому поколению вписываться в окружающую среду чуть лучше прежнего, можно опять столкнуться с проблемой инженера, пытающегося превратить в велосипед магазинную тележку. Каждая из этих конструкций имеет два колеса. У каждой из них есть место для захвата. Если вы мастер, ориентирующийся на правила эволюции, вам придется придумать гомологичные структуры, переходя от одной конструкции к следующей. Колеса придется переставить, заменив их параллельное расположение линейным. И на каждом промежуточном этапе конструкция должна достаточно хорошо функционировать, чтобы иметь возможность перейти в следующее поколение. Эта система прослеживается и в палеонтологической летописи.

Жизнь во всех своих формах вынуждена бороться с жесткими и непреклонными законами классической физики – законами энергии и движения. Конечно, все организмы в нашем мире – это результат тонких и удивительных химических реакций, которые в конечном счете являются следствием квантовой механики и взаимодействия частиц еще меньших, чем атомы. Тем не менее плавание, полет, укоренение в почве, дрейф в море, и т. д. – все эти классические физические явления во всех отношениях не менее удивительны и поразительны, чем дивные современные открытия, такие как бозон Хиггса или ускоряющееся расширение Вселенной. Законов классической физики достаточно для движения конвергентной эволюции и создания аналогичных и гомологичных структур, о которых я говорил.

Эволюция, особенно конвергентная, кажется мне невероятно убедительной еще и потому, что она, несомненно, представляет собой один из фундаментальных законов природы, таких как гравитация, электромагнетизм и теплообмен, формирующих наш мир. И все же в ней есть нечто более индивидуальное, чем в других законах, ибо ее прямым следствием являемся мы. Пусть мы все еще многого не знаем, но одно мы понимаем точно: природа постигает себя изнутри.

 

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[7]. 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 практически летал.

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.