Эволюция птиц. Гипотезы происхождения птиц. Оперенные динозавры

Современные птицы сильно отличаются от родственных им позвоночных. До недавнего времени их происхождение было одной из великих тайн биологии. Перья, беззубые клювы, полые и глубокие грудные кости являются лишь частью особых признаков, которых нет у других животных. Наблюдение за птицами не объясняет, как у них появились перья и способность к полету. За последние десятилетия появились новые открытия и новые методы исследования, которые позволили палеонтологам совершить несколько открытий. Найденные в районе Китая, Южной Америки окаменелости, а также образцы, хранящиеся в музеях, которые теперь можно изучать с помощью новых технологий, стали причиной возникновения очередной волны интереса к изучению истории эволюции птиц. Благодаря этому, ранее появилась теория их происхождения от мелких хищных динозавров, обитавших на Земле в конце юрского периода.

Начало исследования возникновения птиц

Ученые принялись размышлять об эволюции птиц, начиная с того времени, как Чарльз Дарвин изложил свою теорию эволюции в работе «О происхождении видов». В 1861 году, год спустя после публикации трактата Дарвина, древнее птичье перо было найдено в баварских известняковых отложениях, возраст которых составлял около 150 млн лет. В следующем году был найден скелет животного, у которого были птичьи крылья и перья, очень длинный костлявый хвост и челюсть с зубами. Он был найден в том же регионе. Окаменевший скелет был назван археоптериксом. Он стал первым найденным древнейшим животным с оперением. Скелетная анатомия археоптерикса давала четкие доказательства, что предками птиц были динозавры, но в 1861 году ученые еще не смогли установить эту связь. Тогда и началось изучение эволюции птиц и охота за предками современных видов пернатых.

Анатомическое строение археоптерикса

Окаменелость была обнаружена в начале 1860 годов. Долгое время знаменитая находка из поздней юры была уникальной. Она единственная могла дать какую-то информацию о том, как мог произойти эволюционный переход от рептилий к птицам, поскольку в ней сочетались признаки как птицы, так и рептилии. У строения археоптерикса было много общего со строением птиц. Например, перья вдоль передних лап, ставших крыльями. Но, в отличие от современных видов, также присутствовали зубы и костистый хвост.

Первые теории о животных юрского периода

Стоит отметить, что многие из костей животного, в том числе передних лап, плечевого пояса, таза и ног, были отчетливыми, не сросшимися, как у его потомков. Несколько лет спустя Томас Генри Хаксли стал первым ученым, кто нашел связь между строением птиц и динозаврами. Он сравнивал задние конечности гигантского динозавра с изображением страуса и отметил 35 признаков, доказывающих, что они связаны друг с другом. Хаксли представил свои результаты Геологическому обществу. Но в 1870 году в Лондоне палеонтолог Гарри Говье Сили решил оспорить гипотезу происхождения птиц и их родство с динозаврами. Сили предположил, что задние конечности страуса и динозавра могут выглядеть похожим только потому, что эти животные были большими и двуногими, а свои задние конечности использовали в сходных условиях. Кроме того, динозавры были даже больше, чем страусы, и никто из них не мог летать. У ученого возникал вопрос, как тогда могут летать птицы, если они эволюционировали от динозавра.

Теория Герхарда Хайльмана

Тайна происхождения птиц вновь заинтересовала ученых спустя приблизительно полвека. В 1916 году Герхард Хайльман, медицинский врач, интересующийся палеонтологией, опубликовал на датском языке блестящую книгу об истории происхождения птиц, которая в 1926 году была переведена на английский под названием “Происхождение птиц”. Хайльман показал, что пернатые были анатомически более похожи на динозавров-тероподов, чем на любую другую ископаемую группу. Но существовало одно неизбежное несоответствие: у тероподов явно отсутствовали ключицы, те самые, которые сливаются в вилочку у птиц.

Недостатки теории Герхарда Хайльмана

Из-за того факта, что у других рептилий имелись ключицы, Хайльман предположил, что тероподы, в частности триасовые псевдозухии, по какой-то причине потеряли их. Для него эта потеря означала, что птицы не могли развиться от этого вида динозавров. Потому он был убежден, как позже выяснилось, ошибочно, что функция ключиц, потерянная во время эволюции, не может быть восстановлена. Птицы, утверждал он, должны были развиться из более архаичной рептильной группы, у которой были ключицы.

Как ранее Сили, Хайльман пришел к выводу, что сходство между птицами и динозаврами должно просто отражать тот факт, что обе группы были двуногими. Его выводы повлияли на палеонтологические исследования и в течение длительного времени были приоритетными, хотя новая появившаяся информация и опровергла некоторые факты. Но до сих пор некоторые ученые придерживаются именно ее. Два отдельных исследования показали, что тероподы действительно имели ключицы. В 1924 году был опубликован анатомический рисунок необычного теропода с попугайным оперением. Он был назван овираптором, и его существование опровергало теорию Хайльмана.

Новые доказательства

В 1936 году Чарльз Камп из Калифорнийского университета в Беркли нашел останки небольшого теропода раннего юрского периода и хотел поставить точку в истории с ключицами. Но доказательство ошибочности теории Хайльмана было мало кем признано. Недавние исследования нашли ключицы у многих тероподов. Исходя из строения птиц в настоящее время, а также в результате ряда исследований, археоптерикс был назван промежуточным звеном в истории эволюции пернатых. Но оставался вопрос: между какими именно рептилиями? Дальнейшие ископаемые птицы найдены в слоях ниже раннего мела. Большинство из них были обнаружены с начала 1990 годов, главным образом в Китае. Между тем известно более тридцати видов птиц из мелового периода. Кроме того, было обнаружено большое число маленьких динозавров, передвигающихся на двух ногах с характерными для древних птиц чертами. Таким образом, разрыв между динозаврами и птицами благодаря изучению окаменелостей стал значительно меньше.

Теория Острома

Наконец, спустя столетия после спорной презентации Хаксли для Геологического общества Лондона, Джон Х. Остром из Йельского университета возродил идею о том, что птицы были связаны с тероподами. Он прямо предположил, что пернатые являются их прямыми потомками. В конце 1960-х годов Остром описал скелетную анатомию хищного теропода дейнониха, который был размером с человеческого подростка и обитал на Земле около 115 миллионов лет назад, в эпоху раннего мела. В дальнейших своих опубликованных работах Остром продолжил определение анатомии птиц и группы особенностей, которые они, включая археоптерикса, делили с дейнонихом и другими тероподами, но не с другими рептилиями.

На основе этих данных он пришел к выводу, что птицы происходят непосредственно от маленьких динозавров-тероподов. После выдвижения теории Остром продолжал собирать свои доказательства происхождения пернатых от тероподов. Он использовал новый метод расшифровки отношений между организмами, применяя его в музеях естественной истории в Нью-Йорке, Париже и других местах. Этот метод получил название кладистики или филогенетической систематики. Поскольку он стал стандартом для сравнительной биологии, его использование строго обосновывало выводы Острома.

Исследования 1970-х годов

В 1970-х годах ученые продолжали интересоваться некоторыми общими уникальными особенностями археоптерикса, которые роднят его с некоторыми животными юрского периода. В их числе оказались те самые малые плотоядные динозавры, передвигающиеся на двух ногах, которые получили название тероподов. Внимательно изучив эти черты, ученые вновь выдвинули теорию, что, возможно, они были предками птиц. Ведущие палеонтологи построили эволюционные деревья, и после этого оказались еще более убеждены в своей правоте.

Что такое кладограмма

Эти деревья, иначе известные как кладограмма, являются современным золотым стандартом в анализе эволюционных отношений между животными. Сам метод получил название кладистика. Практикующие кладистики определяют эволюционную историю группы животных, изучая различные виды признаков. В процессе эволюции у какого-то животного может появится новая, генетически определенная черта, которая будет передана его потомкам. Следовательно, палеонтологи могут заключить, что две группы, однозначно разделяющие набор таких новых или полученных черт, более тесно связаны друг с другом, чем с животными, которые этих черт лишены. Узлы или точки ветвления на кладограмме указывают на появление линии с новым набором производных признаков. В результате, птицы показались ученым просто веткой на древе жизни динозавров. В работах Дж. Острома в середине 1970-х годов тероподы получили статус наиболее вероятной группы для предков птиц. Поэтому сегодня идея о том, что птицы являются пернатыми динозаврами, практически не оспаривается среди эволюционных теоретиков.

Особенности метода кладистики

Традиционные методы группировки организмов по принципу сходства и различия могут исключить вид из группы только потому, что он имеет черты, которые не были найдены у других членов. В противоположность этому, группы кладистики были основаны исключительно на определенных группах общих черт, которые особенно информативны. Этот метод начинается с дарвиновской заповеди о том, что эволюция продолжается, когда появляется новая наследственная черта в некоторых организмах, которая и передается генетически его потомкам. Предписание указывает, что две группы животных, разделяющие такие новые черты, более тесно связаны друг с другом, чем те, что разделяют только оригинальные, но не производные, переданные по наследству. Определяя общие производные черты, практики-кладистики могут определять отношения среди изучаемых организмов. Результаты таких анализов, которые обычно исследуются, могут быть представлены в виде кладограммы. Древовидная диаграмма, изображающая порядок, в котором появлялись новые характеристики и новые существа, отражают тот порядок, в котором происходила эволюция.

Причина появления перьев у птиц

По мере эволюции птиц и их удаления от динозавров, названных тероподами, множество их особенностей изменялись и совершенствовались. Если присмотреться внимательнее, становится совершенно очевидно, что набор этих характерных признаков долго развивался и служил для выполнения определенной функции. Например, появление оперения у маленького теропода было связано с необходимостью изоляции определенных участков кожи и сначала больше напоминали волосы. На первых птичьих перьях, возможно, присутствовали различные цветовые узоры. Есть версия, что они были предназначены для камуфляжа, распознавания своего вида и других функций.

Сравнение анатомических структур птиц и динозавров

Сравнительная анатомия птиц и тероподов помогла связать их друг с другом. Она также выявила некоторые способы изменения этих характеристик, поскольку динозавры стали более близки к птицам, а птицы оказались более современными. Например, в области таза лобковая кость, первоначально направленная вперед, позже смещается вертикально или назад. В передних лапах относительные пропорции костей оставались довольно постоянными у ранних птиц, но запястье изменилось. У некоторых видов кость в запястье приняла форму полумесяца. В результате ее форма способствовала возможности взлета. Широкая бумерангообразная вилочка у первых оперенных динозавров стала тоньше и образовала более глубокую дугу, когда эта особенность стала необходима для полета.

Общие признаки динозавров и птиц

Исследования Готье, проведенные в последнее время, демонстрируют, что многие функции, которые традиционно считаются принадлежащими только птицам, фактически появились до них, у их предков — тероподов. Многие из этих свойств помогли своим первоначальным обладателям выжить. Эти же черты и некоторые другие были в конечном итоге использованы или преобразованы для полета и жизни на деревьях. Птичьи характеристики тероподов, которые эволюционировали до птиц, не проявлялись сразу, а некоторые присутствовали до того, как появились сами тероподы. Они были еще у динозавров, существовавших ранее. Например, непосредственный предок тероподов был двуногими и передвигался как птица. Он был маленьким и плотоядным. У него были передние лапы, как и у ранних птиц. Кроме того, второй, а не третий палец, как у других рептилий, был длиннее. У предков динозавров голеностопный сустав стал шарнирным, а кости стопы — удлиненными. Многие из изменений в строении ног, как полагают, повлияли на увеличение длины шага и скорость бега. Это свойство в один прекрасный день поможет птичьим тероподам взлететь.

Самая большая в мире летающая птица и самая маленькая

Гигантские птицы обитали на Земле свыше 6 млн лет назад. Самой большой в мире летающей птицей был аргентавис. Он обитал в Аргентине и относился к семейству соколиных. Взрослая птица достигала 2 метров в высоту, а ее череп был примерно полметра в длину. Огромные крылья в размахе были как трехэтажный дом. Самая маленькая птица существует и сейчас. Это широко известный вид — колибри-пчелка. Длина его тела обычно не превышает 6 см. Место обитания колибри — степные районы бразильской провинции Минас-Жерайс. Самая маленькая птица питается нектаром цветов и очень быстро машет крыльями, как пчела, потому и получила такое название.