Не все птицы бороздят небосвод: почему пингвины не умеют летать?

Когда мы слышим слово «птица», воображение рисует существо, парящее в небе. Крылья, перья, гнездо на ветке — всё это кажется неотъемлемыми атрибутами пернатых. И вдруг на сцену выходят пингвины. Они покрыты перьями, откладывают яйца, заботятся о птенцах — словом, птицы до мозга костей. Но при этом они не летают. Более того, их крылья за миллионы лет превратились в нечто совершенно иное.

В этой статье разберёмся, как же так получилось и почему эволюция распорядилась именно таким образом?

О пингвинах

Пингвины — это единственный современный отряд в классе птиц, полностью утративший способность к машущему полёту. Отряд Sphenisciformes включает примерно два десятка видов, и все они обитают в Южном полушарии.

Вопреки расхожему мифу, пингвины не ограничиваются Антарктидой. Императорские и Адели действительно гнездятся на антарктическом континенте, но галапагосский пингвин живёт прямо на экваторе, а малый пингвин встречается на южном побережье Австралии и даже в Новой Зеландии. Тем не менее ни один вид пингвинов не обитает в Северном полушарии — это важный факт, который часто упускают.

Все пингвины превосходно плавают и ныряют. Их тело веретенообразно, обтекаемо, а крылья работают под водой как мощные вёсла. Там, где другие птицы парят в воздухе, пингвины совершают настоящий «подводный полёт», рассекая толщу океана со скоростью до десяти километров в час.

Императорские пингвины способны погружаться на глубину свыше пятисот метров и задерживать дыхание более чем на двадцать минут. Это выдающиеся достижения, но за них пришлось заплатить очень высокую цену — ценой оказался сам полёт.

Как крылья стали ластами

Ключ к разгадке кроется в анатомии крыла. У летающих птиц крыло представляет собой лёгкую, широкую несущую поверхность. Перья маховые — длинные, гибкие, способные создавать подъёмную силу за счёт разницы давления воздуха. Скелет крыла тонкий и полый, а грудная кость несёт высокий киль, к которому крепятся мышцы, обеспечивающие взмах.

У пингвинов всё устроено иначе. Их крылья укорочены, уплощены и сильно сужены. Кости крыла стали значительно плотнее и тяжелее — это явление называется пахиморфия. Перья утратили гибкость: они короткие, жёсткие, плотно прилегающие друг к другу и образующие почти непроницаемый покров, напоминающий чешую.

Суставы крыла малоподвижны, и крыло работает как единое целое, подобно ласте морского млекопитающего. Грудная кость, напротив, развита мощно — киль у пингвинов огромный, ведь мышцы, приводящие крыло в движение под водой, должны быть чрезвычайно сильными.

Получается парадоксальная ситуация. Крыло пингвина анатомически остаётся крылом птицы — те же самые кости, те же суставы, та же общая схема, однако это уже не орган, необходимый для полёта, а орган подводного плавания. Эволюция не создала ничего принципиально нового — она перепрофилировала то, что уже было.

Энергетический компромисс эволюции

Почему же естественный отбор не сохранил способность к полёту? Ответ лежит в области биоэнергетики и экологии. Полёт — один из самых энергозатратных способов передвижения в животном мире. Чтобы летать, птица должна быть лёгкой. Её кости полые, мышцы оптимизированы под кратковременную максимальную нагрузку, а форма тела подчинена аэродинамике воздушной среды.

Плавание в воде, плотность которой примерно в восемьсот раз выше плотности воздуха, предъявляет совершенно иные требования. Здесь на первый план выходят не лёгкость, а обтекаемость, прочность и способность к длительной мышечной работе. Тяжёлые кости помогают пингвину погружаться, плотное телосложение снижает расход энергии при движении в толще воды, а короткие жёсткие перья минимизируют сопротивление.

Эти два набора требований — «летать» и «глубоко нырять» — принципиально несовместимы в рамках одного организма. Невозможно построить крыло, одинаково эффективное и в воздухе, и в воде. Эволюционный биолог Стивен Джейд Гулд назвал бы это ограничением, накладываемым самой физической средой. Одним словом, пингвины встали перед дилеммой и выбрали воду.

Когда пингвины перестали летать

Согласно палеонтологическим данным, предки пингвинов утратили способность к полёту очень давно — по разным оценкам, от шестидесяти до восьмидесяти миллионов лет назад. Древнейшие известные ископаемые пингвины, такие как Waimanu manneringi, обитали в Новой Зеландии примерно шестьдесят два миллиона лет назад и уже имели характерное уплощённое крыло, непригодное для полёта, но прекрасно подходившее для плавания.

Более поздние находки, в частности исследования Дэниела Кшепки и его коллег, опубликованные в 2013 году, показали, что переходный период мог быть короче, чем предполагалось ранее. Анализ ископаемых крыльев выявил, что у самых ранних пингвинов кости крыла уже были утолщены, но пропорции сохраняли некоторое сходство с летающими предками.

Это говорит о том, что утрата полёта произошла относительно быстро в эволюционном масштабе — как только предковая форма заняла экологическую нишу подводного охотника, отбор стремительно сдвинул анатомию крыла в сторону плавания.

Почему полёт стал ненужным

Помимо биомеханических ограничений, существует и экологическое объяснение. Большинство пингвинов гнездятся на земле, часто на удалённых островах и прибрежных скалах, где отсутствуют наземные хищники. В Антарктиде и субантарктических регионах наземных млекопитающих-хищников просто нет. В таких условиях способность взлетать в воздух для спасения от угрозы теряет смысл — бежать или прятаться не от кого.

При этом море предоставляет обильную пищу. Рыба, криль, кальмары — всё это пингвины добывают в океане, и чем лучше они плавают, тем успешнее охотятся. Естественный отбор действовал в одном направлении: особи с более эффективными для плавания крыльями выживали и оставляли больше потомства.

Генетические исследования последних лет подтверждают эту картину. В геноме пингвинов обнаружены изменения в генах, связанных с развитием конечностей и плотностью костной ткани, и эти изменения носят направленный характер.

Интересно, что утрата полёта у пингвинов — не уникальное явление в мире птиц. Страусы, киви, какапо, пастушки — все эти птицы тоже не летают. Но причины у них иные. В их случае роль сыграла изоляция на островах без хищников и обилие наземной пищи, а не переход к водному образу жизни.

Пингвины — единственный случай, когда отсутствие способности летать связано с полным переключением на водную среду.

Адаптация

Отказ от полёта повлёк за собой целый каскад дополнительных приспособлений. Перьевой покров пингвинов — один из самых плотных среди птиц. На квадратном сантиметре кожи может приходиться до ста перьев. Этот панцирь надёжно удерживает слой воздуха у тела, обеспечивая термоизоляцию в ледяной воде.

Линька у многих пингвинов происходит не постепенно, как у летающих птиц, а одномоментно — старое оперение сменяется новым за две-три недели, в течение которых птицы не выходят в море и живут за счёт накопленных жировых запасов.

Кровеносная система пингвинов оснащена противоточными теплообменниками. Артерии, несущие тёплую кровь к конечностям, тесно переплетены с венами, возвращающими охлаждённую кровь от ластов. В результате тепло передаётся от артериальной крови к венозной ещё до того, как кровь достигнет поверхности тела, и потери тепла в холодной воде сводятся к минимуму.

Этот механизм, называемый «чудесная сеть», встречается и у некоторых других морских животных, но у пингвинов он развит особенно хорошо.

Сердце пингвина во время погружения замедляет частоту сокращений, а кровоток перераспределяется таким образом, что кислород в первую очередь поступает к мозгу и сердцу, а периферические ткани переходят на анаэробный обмен. Именно это позволяет императорским пингвинам находиться под водой более двадцати минут — рекорд, которому позавидовал бы любой аквалангист.