Адаптация птиц к полету - Эволюция рептилий и птиц
В настоящее время в научном сообществе доминирует гипотеза, что предками птиц являются тероподы, но сам механизм возникновения способности к полету до сих пор является одним из нерешенных вопросов палеонтологии[7][8].
Существует три главные гипотезы:
- 1)"древесная" или "с деревьев вниз" (англ. arboreal или trees down, Marsh, 1877, согласно которой предки птиц сначала научились планировать вниз с деревьев, после чего развили способность к настоящему полету за счет силы мышц; 2)"наземная" или "с земли вверх" (англ. cursorial или ground up, Williston, 1879), согласно которой предки птиц были небольшими ловкими динозаврами, которые развили перо для других нужд, а потом стали использовать его для поднятия в воздух и полета; 3)"бег с помощью крыльев", вариант "с земли вверх", согласно которой крылья развились для образования направленной вниз силы, которая делала возможным лучший контакт с поверхностью, а в результате -- более высокую скорость бега и способность бегать по вертикальным поверхностям.
До сих пор остается неизвестным, имела ли способность летать первая известная птица -- археоптерикс (Archaeopteryx). С одной стороны, археоптерикс имел структуры мозга и сенсорные структуры внутреннего уха, которыми птицы пользуются для контролирования своего полета, а его перья были расположены подобно перьям современных птиц.
С другой стороны, археоптерикс не имел плечевого механизма, с помощью которого современные птицы осуществляют быстрые машущие движения; это может указывать на то, что первые птицы не были способны к машущему полету, но могли планировать. Находки большинства ископаемых останков археоптерикса в приморских районах без густой растительности также привело к гипотезе, что эти птицы могли использовать крылья для бега по поверхности воды, подобно ящерицам василискам (лат. Basiliscus).
Таким образом, строение скелета археоптерикса свидетельствует о его наземном образе жизни, в то время как перья и крылья -- о способности к полету.
Передние конечности птиц -- крылья -- являются главными частями тела, приспособленными для полета. Каждое крыло имеет главную поверхность, которой оно разрезает воздух, состоящую из трех костей: плечевой, локтевой и лучевой.
Кисть конечности, которая эволюционно состояла из пяти пальцев, редуцированна до трех пальцев (пальцы ІІ, ІІІ и IV или І, ІІ, ІІІ, в зависимости от схемы нумерации, а ее назначением является место крепления маховых перьев первого порядка, одной из двух главных групп маховых перьев, которые обуславливают форму крыла.
Второй набор маховых перьев находится позади кистевого сустава локтевой кости и имеет название маховых второго порядка. Остальные перья называются кроющими и делятся на три набора. Иногда крыло имеет рудиментарные когти, хотя у большинства видов они исчезают к моменту достижения птицей половозрелости (например, у птенцов гоацина). Но они сохраняются у таких птиц как птица-секретарь, паламедеи, страусы и у некоторых других видов птиц в качестве частой, но не характерной черты. Когти ископаемого археоптерикса напоминают по строению когти гоацинов.
У гигантских буревестников и альбатросов также существует механизм закрепления суставов крыльев в одном положении для уменьшения нагрузки на мышцы во время парящего полета.
В полете крылья приводятся в движение мощными летательными мышцами, на которые приходится от 15 до 20 % общей массы птицы[30]. Крыло поднимает подключичная мышца, а опускает -- большая грудная; обе мышцы прикреплены к грудине.
Главными перьями, используемыми для полета и дающими крыльям и хвосту птиц их внешнюю форму, являются маховые перья. Маховое крыло обычно делится на две-три главных группы: маховые перья 1-го (первостепенные), 2-го (второстепенные) и иногда 3-го порядка.
Маховые перья 1-го порядка крепятся с помощью сухожилий к костям кисти, 2-го порядка -- к локтевой кости, 3-го -- к плечевой кости. Для большинства видов птиц маховые перья 1-го порядка в наибольшей мере отвечают за способность летать: даже полное удаление других перьев с крыльев не влияет на дальность и скорость полета, но заметное укорочение маховых перьев 1-го порядка, особенно дистальных, практически лишает птиц способности летать. Большая часть площади маховых перьев покрыта так называемым кроющим оперением, которое защищает его и закрывает щели возле оснований. При потере птицей половины маховых перьев, машущий полет возможен, однако подрезание кончиков маховых перьев делает его невозможным.
Форма крыла является важным фактором, определяющим тип и характеристики полета, к которому способна птица. Разные формы крыльев отвечают разным компромиссным решениям для создания нужных характеристик, таких как скорость полета, затраты энергии и маневренность.
Форма крыла в двумерной горизонтальной проекции может быть приблизительно описана двумя параметрами: удлинением и нагрузкой на крыло. Удлинение крыла -- это отношение размаха крыльев к средней ширине крыла (или квадрат размаха крыльев, разделенный на площадь крыльев). Нагрузка на крыло -- отношение массы птицы к суммарной площади крыльев.
Воздух обтекает передний край крыла, а также выпуклую верхнюю поверхность. Это приводит к ускорению его движения и создает область пониженного давления, в то время как давление на нижнюю вогнутую поверхность крыла остается практически постоянным. Данная разница давления над крылом и под ним создает подъемную силу.
Большинство видов птиц могут быть сгруппированы в несколько общих типов по форме крыльев. В частности, обычным делением является разделение на эллиптические крылья, крылья для скоростного полета, крылья с относительно большим удлинением, и крылья для парящего полета, описанные ниже.
Эллиптические крылья короткие и округленные, с небольшим удлинением, которое позволяет птицам маневрировать в ограниченном пространстве, например в условиях густой растительности. Такие крылья характерны для лесных хищных птиц (например, ястреба) и многих воробьинообразных, особенно немигрирующих видов (мигрирующие виды птиц имеют длинные крылья для продолжительных перелетов). Также эта форма крыльев обычна у видов, которые избегают хищников за счет быстрого взлета, например, фазанов и куропаток.
Крылья для скоростного полета короткие и заостренные, имеют высокую нагрузку на крыло и обеспечивают высокую частоту взмахов для наибольшей возможной скорости за счет значительных затрат энергии. Такой тип крыльев характерен для небольших птиц и характеризуются очень большой относительной длиной кисти крыла.
Этот тип крыльев характерен для птиц, способных развивать большую скорость полета, таких как сапсан, стрижи и большинство утиных. Подобная форма крыльев характерна и для птиц группы чистиковые, хотя и для другой цели -- чистиковые используют крылья для ныряния и "полета" под водой. Птицы с такими крыльями являются рекордсменами по скорости -- иглохвостый стриж (Hirundapus caudacutus) развивает скорость до 170 км/ч[29], а сапсан -- до 300 км/ч. Сапсан является самым быстрым животным на земле.
Крылья с относительно большим удлинением являются очень длинными и стройными, и обычно они характеризуются низкой нагрузкой на крыло и используются для медленного полета, почти парения. Такие крылья характерны для буревестников, крачек, козодоеобразных и птиц, которые способны переходить на динамическое парение над волнами для сохранения энергии, что распространенно среди морских птиц.
Особым случаем этого типа являются крылья гигантских буревестников и альбатросов, наиболее приспособленных к продолжительному парению. Эти крылья характеризуются наименьшей относительной длиной кисти, около 25 % от длины крыла, и наибольшим числом маховых перьев второго порядка -- 40.
Эти птицы также имеют типичный для них механизм закрепления суставов крыльев и отличия в строении маховых перьев кисти.
Крылья для парящего полета относительно широкие и характерны для больших сухопутных птиц, таких как орлы, грифы, пеликаны и аисты. Глубокие бороздки на концах крыльев между маховыми перьями уменьшают силу сопротивления воздуха, а относительно короткий размер позволяет подниматься с поверхности земли без потребности в значительном разгоне.
Относительно подобны им крылья цапель и ибисов, которые используют их для медленного машущего полета.
В основе хвоста птиц лежат кости 5--7 позвонков и пигостиль, к которому крепятся рулевые перья хвоста. Число рулевых перьев хвоста различно у разных видов птиц, от их полного отсутствия у поганковых до 22--24 у пеликанов, уток и лебедей.
Рулевые перья хвоста способны раздвигаться, существенным образом увеличивая площадь. Также хвост может двигаться в двух направлениях с помощью шести пар мышц. Хотя у большинства птиц перья хвоста приблизительно одинаковой длины и образовывают плоский раскрытый хвост, форма хвоста может быть различной.
Например, у сороки, фазанов, олуш, некоторых голубей и кукушек центральные перья длиннее, что придает хвосту округлую форму. У некоторых фаэтонов, щурок, поморников, некоторых рябчиков и птиц-секретарей центральные перья намного длиннее.
Наоборот, у деревенской ласточки, фрегатов и некоторых крачек центральные перья намного короче, образовывая вилкообразный хвост.
Хвост принимает участие в стабилизации полета и маневрировании за счет как подъемной силы, так и силы сопротивления.
Длинные жесткие хвосты, особенно с длинными центральными перьями, наиболее приспособлены для создания аэродинамического сопротивления, способствуя стабильности полета.
В то же время, вилкообразные хвосты создают подъемную силу почти без силы сопротивления, обеспечивая маневренность при быстром полете.
Морские птицы часто имеют очень короткие хвосты, так как при медленном полете им не требуется маневренность.
У лесных птиц хвосты должны создавать высокую стабильность и иметь стойкость к столкновениям, для чего наиболее удобными являются длинные прямые хвосты.
Прочие адаптации к полету
Хотя крылья и перья являются основными адаптациями к полету, потребности полета вызвали многие другие изменения в организме птиц.
Перья летающих птиц отличаются от перьев многих нелетающих птиц и оперенных динозавров наличием микроскопических крючков, которые сохраняют перо целостным и предоставляют ему необходимую для полета прочность.
Из всех позвоночных наиболее развит мозжечок у птиц, что служит важной адаптацией к координации сложных движений и ориентации в трехмерной среде. С полетом связано усиление роли зрения по сравнению с другими органами чувств.
Скелет птиц имеет ряд пустотелых костей, что заметно уменьшает его массу. Кроме того, у птиц отсутствует целый ряд костей, которые еще существовали у археоптерикса, в частности, исчез длинный хвост. Челюсти с зубами были заменены легким клювом, в целом кости черепа стали более тонкими и легкими. Также в скелете появился киль, большая кость, к которой крепятся мышцы крыльев. Адаптациями к полету считаются также срастание большей части позвонков, наличие пигостиля, к которому крепятся рулевые перья хвоста, и др.
С полетом связана перестройка мышечной системы, в частности, увеличение размеров больших грудных мышц -- опускателей крыла. Их масса составляет от 10 до 25 % массы тела птицы[28].
Важной адаптацией, предназначенной для обеспечения высоких затрат энергии и, соответственно, высокой скорости метаболизма, является появление однонаправленного тока воздуха в легких -- двойного дыхания. Воздух, попадая в воздушные мешки, проходит через легкие птиц при каждом вдохе и выдохе в одном и том же направлении, что позволяет (благодаря использованию принципа противотока), эффективно извлекать из него кислород (в выдыхаемом птицами воздухе около 12 % кислорода, в то время как у млекопитающих около 16 %)[28]. Воздушные мешки обеспечивают эффективное охлаждение тела при интенсивной работе мышц во время полета.
Работу дыхательной системы птиц определяет в том числе и положение бедренной кости. Бедренные кости птиц малоподвижны, поэтому при перемещении по земле они практически не смещаются из горизонтального положения. Именно такая фиксированная позиция кости позволяет поддерживать брюшной воздухоносный мешок на вдохе.
Наличие четырехкамерного сердца и двойного дыхания обеспечивают теплокровность птиц и очень высокую интенсивность их метаболизма. Частота дыхательных движений у мелких птиц в покое составляет около 100 в минуту и в полете, видимо, может возрастать. Частота пульса в покое -- до 400--600, а в полете -- до 1000 ударов в минуту.
Похожие статьи
-
Эволюция мозгового черепа древних рептилий - Эволюция рептилий и птиц
Пресмыкающиеся, или рептимлии (лат. Reptilia) -- класс (по традиционной классификации) или парафилетическая группа (по кладистической классификации)...
-
1) [-]продолговатый мозг 2) [-]промежуточный мозг 3) [+]большие полушария переднего мозга, мозжечок 4) [-]средний мозг Из какого белка состоит оперенье...
-
1) [-]придает устойчивость телу птицы 2) [+]является местом прикрепления летательной мускулатуры 3) [-]является костной основой крыльев 4) [-]является...
-
1) [-]зоб 2) [-]печень 3) [-]железистый желудок 4) [+]мускулистый желудок Позвонки какого отдела позвоночника имеют седловидную форму? 1) [-]крестцового...
-
1) [-]зубы 2) [+]язык 3) [-]ноздри 4) [-]А, В Из трех пар костей у птиц состоит... 1) [-]крестец 2) [+]пояс передних конечностей; пояс задних конечностей...
-
Благодаря постоянному и беспорядочному броуновскому движению молекул воды [4] две идентичные по всем параметрам биомолекулы (БМ) способны не только...
-
Патогенез, Диагностика - Ассоциативные болезни птиц
Эндогенные стадии развития эймерий вызывают массовую гибель эпителиальных клеток и некроз слизистой оболочки кишечника. Это приводит к расстройству...
-
1) [-]продолговатого и мозжечка 2) [+]зрительного бугра среднего мозга 3) [-]мозжечка 4) [-]больших полушарий переднего мозга При вдохе у птиц...
-
Биологические виды, Изоляция и видообразование - Механизмы эволюции
Вплоть до XVII в. исследователи опирались на представление о виде, созданное еще Аристотелем, который воспринимал виды как совокупности сходных особей....
-
1) [-]наличие локтевой и лучевой кости 2) [-]несколько костей кисти 3) [-]одна плечевая кость 4) [+]только четыре пальца Что правильно характеризует...
-
1) [-]фазаны, индюки, цесарки 2) [+]голуби, кукушки, орлы 3) [-]куры, гуси, лебеди 4) [-]гагары, журавли, утки Укажите причину, по которой не из всех...
-
Глобальное моделирование - научное направление, сформированное в результате построения глобальных моделей, и исследование их с помощью различных...
-
1) [+]2, 3, 6, 9, 10, 12 2) [-]1, 3, 4, 5, 6, 11 3) [-]2, 5, 7, 8, 10, 12 4) [-]1, 4, 5, 7, 8, 11 Как называются птицы, птенцы которых вылупляются из...
-
Выводы, Список используемой литературы - Анатомические особенности организма летающих птиц
Подводя общие итоги проведенному нами рассмотрению внутреннего строения тела птицы, мы видим, что вся организация птиц, все их отличия от позвоночных...
-
Газообмен - Анатомические особенности организма летающих птиц
Газообмен при дыхании протекает у птиц весьма энергично. Этому способствует наличие в легких у птиц противоточной системы кровообращения, при которой...
-
Принципы биологической эволюции - Виды эволюции человека
Интенсивное проникновение эволюционной пирамиды в биологии начато в конце XVIII веке и благодаря этим работам известного французского биолога Ламарка....
-
Аппарат дыхания, Строение дыхательной системы - Анатомические особенности организма летающих птиц
Строение дыхательной системы Что же отличает птиц от пресмыкающихся? Приобретение способности к полету и возрастание общей подвижности птиц связаны с...
-
Химическая эволюция - Зарождение жизни в горячей воде
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли...
-
Основные законы эволюции, Основные факторы эволюции - Современная теория эволюции
Многочисленные исследования, проведенные в рамках вышеупомянутых наук, позволили сформулировать следующие основные законы эволюции. 1. Скорость эволюции...
-
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики выделяются три уровня строения материи: микромир - мир предельно малых, непосредственно...
-
Биохимическая эволюция - Строение удаленных планет-гигантов: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 - 5 млрд. лет. По мнению многих биологов, в прошлом...
-
1) [-]контурных покровных 2) [-]контурных маховых 3) [+]пуховых 4) [-]рулевых Сколько пальцев имеет крыло птиц? 1) [-]4 2) [-]2 3) [+]3 4) [-]1 Среди...
-
Биохимическая эволюция - Теории возникновения жизни
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5 - 5 млрд. лет. По мнению многих биологов, в прошлом...
-
1) [-]в сильном развитии продолговатого мозга 2) [+]в сильном развитии полушарий переднего мозга и мозжечка 3) [-]в сильном развитии всех отделов мозга...
-
Эволюция млекопитающих - Эволюция млекопитающих
Корни происхождения млекопитающих стоит искать в позднем Пермском периоде, 250 миллионов лет назад. Именно тогда жили предки всех млекопитающих -...
-
Именно броуновское движение органических молекул в водной среде является причиной не только самоорганизации БС, но и их самовосстановления....
-
Как уже упоминалось, метилирование цитозина в ДНК является потенциально опасным, поскольку спонтанное дезаминирование метилцитозина ведет к нуклеотидным...
-
Направления эволюции, Генетические и онтогенетические основы эволюции - Механизмы эволюции
Направление эволюции каждой систематической группы определяется взаимоотношениями между особенностями среды, в которой протекает эволюция данного...
-
1) [+]саблевидную форму 2) [-]серповидную форму 3) [-]округлую форму 4) [-]кинжаловидную форму Почему скелет птицы легкий и прочный? 1. Внутри костей...
-
1) [+]дополнительную прочность 2) [-]дополнительную легкость 3) [-]большую маневренность 4) [-]А, С Укажите функции железистого (1) и мышечного (2)...
-
Наблюдения за весенним прилетом птиц
Аннотация Данная статья посвящена изучению сроков весеннего прилета перелетных гнездящихся на территории пришкольного участка в г. Сергаче Нижегородской...
-
Концепция биохимической эволюции (гипотеза А. И. Опарина) - Развитие понятия "жизнь"
Александр Иванович Опарин был не просто автором концепции физико-химической реконструкции зарождения жизни на Земле, а основоположником целого...
-
Одновременное заболевание птиц кокцидиозом и колибактериозом - Ассоциативные болезни птиц
Высокая концентрация поголовья птиц на ограниченных площадях при современном ведении птицеводства на промышленной основе создает предпосылки для...
-
Биологическая и культурная эволюция - Виды эволюции человека
Человек является неотьемленной частью природы, он существует, как биологическое социальное существо. Человеку свойственны саморегуляция, обмен веществом,...
-
Брэйн-элементы - Эволюция состава организмов
Имеется целая группа элементов с неизведанными функциями. С достаточно большой степенью осторожности можно говорить об их взаимосвязи с интеллектуальными...
-
Виды адаптации, Физиологическая адаптация - Адаптация человека
Выделяют физиологическую, психическую и социальную адаптацию, а иногда к этому добавляют психофизиологическую и социально-психологическую адаптацию[2]....
-
Источники и пути заражения, Симптоматика - Ассоциативные болезни птиц
Внешнюю среду ооцитами загрязняют больные эймериозом цыплята и взрослые птицы, переболевшие бессимптомно. Распространяются ооциты механическим путем...
-
Гипотезы химической эволюции - Зарождение жизни в горячей воде
Появление в Космосе или на Земле условий для автокаталитического синтеза больших объемов и значительного разнообразия углеродсодержащих молекул, то есть...
-
Обнаружено много ископаемых останков древних людей и их предшественников. Современный уровень развития Палеоантропологии и Сравнительной анатомии...
-
Введение - Современная теория эволюции
Эволюция происходит в течение периода времени, превышающего срок жизни одного поколения, и заключается в изменении наследуемых черт организма. Первым...
Адаптация птиц к полету - Эволюция рептилий и птиц