Близько 220 мільйонів років тому з’явилися перші птерозаври, або літаючі рептилії, їх перетинчасті крила були першими хребетними, здатними до активного польоту. Група, пов’язана з динозаврами в пізньому тріасі, еволюціонувала з невеликих плазунів, ймовірно, двоногих, і складалася з тварин дуже різного розміру та способу життя. З моменту свого утворення вони змогли залишатися успішними протягом майже 150 мільйонів років, поки їх не охопило крейдяне вимирання, разом з непташиними динозаврами та майже трьома чвертями видів.

мільйонів

Pterodactylus antiquus, один із птерозаврів пізньої юри Ілюстрація: Марк Віттон

З іншого боку, до цих пір було не зовсім зрозуміло, як здатність літати розвивалась у птерозаврів і як вона змінювалась далі протягом Середньовіччя в історії Землі. Розгляд питання ускладнюється тим фактом, що жодних зачатків скам'янілостей птерозаврів не збереглося, щоб допомогти зрозуміти ранню еволюцію цих особливих рептилій. Нове дослідження, опубліковане в науковому журналі "Nature" у середу, може наблизити їх до відповіді та допомогти закласти основу для подальших досліджень подібних еволюційних змін.

Дослідження також відповідає на ключове питання про вплив ранніх птахоподібних динозаврів, а потім і про появу птахів на еволюцію птерозаврів. Перші динозаври, схожі на птахів, утворилися в пізній юрі майже 150 мільйонів років тому. Похідні від них сучасні птахи - це пернаті динозаври-тероподи, які з’явилися у другій половині крейдового періоду. Птахи - це єдина група динозаврів, яка пережила вимирання крейдового-палеогену, а потім успішно заповнила середовища існування, коли колись домінували птерозаври.

У новому дослідженні Кріс Вендітті та його колеги поєднали біофізичні моделі польоту та викопні властивості в базі даних 75 видів, що живуть у різний час, добре охоплюючи різноманітність птерозаврів. На основі характеристик скам’янілостей було створено також еволюційне дерево, яке краще досліджує спорідненість птерозаврів. Все це показало, що зміни в масі птерозаврів могли серйозно вплинути на появу динозаврів, схожих на птахів. Хоча вага тварин до цього моменту суттєво не змінювався, їх розмір почав значно збільшуватися з 150 мільйонів років тому до їх вимирання.

Також стало ясно, що, за винятком підгрупи, більш пристосованої до наземного способу життя, ефективність польоту птерозаврів демонструє майже безперервне зростання. Хоча зовнішність птахів на це не вплинула, пізні птерозаври змогли літати приблизно на 50 відсотків ефективніше, ніж раніше. Методи, використані в дослідженні, крім того, що виявляють захоплюючі новинки про літаючих рептилій, у яких домінують повітря, у Середньовіччі, можуть також послужити зразком для майбутніх еволюційних досліджень.

Поява динозаврів, схожих на птахів, суттєво вплинуло на птерозаврів

Основною метою дослідників було визначити, як змінювалась здатність птерозаврів літати під час їх еволюції. З цією метою було встановлено два показники продуктивності тварин на основі біофізичної моделі активного та ковзаючого польоту.

Перший індекс характеризує ефективність польоту, яка є оберненою до "вартості транспорту (COT)", визначеної дослідниками. Це значення показує енергію, необхідну для переміщення даної маси на дану відстань з найбільш економічною швидкістю з точки зору використаної енергії. Другий показник визначає швидкість занурення (Vz), яка використовується для вимірювання ефективності ковзаючого польоту тварин. Більш низька швидкість спуску (Vz) забезпечує триваліший політ і полегшує використання злітних струмів.

Експерти розрахували значення транспортних витрат і швидкості спуску (Vz) для цих тварин на основі бази даних про 16 видів птерозаврів, виходячи з їх оціночної ваги, розмаху крил та інших характеристик. Однак дослідники мали на меті вивчити зміну цих показників з часом, а не визначити їх лише для кількох видів.

Щоб вирішити це, їм потрібно було надійне сімейне дерево, що виражає спорідненість, тобто еволюційні стосунки та часові зміни птерозаврів. Філогенетичні дерева, як правило, роблять професіонали на основі генетичних даних (наприклад, послідовності основ ДНК або послідовності амінокислот білка), але палеонтологи, як правило, не мають можливості це робити. Тому вони повинні встановлювати ці дерева на основі характеристик копалин, як у цьому випадку, використовуючи базу даних 128 птерозаврів.

Незабаром з даних стало очевидним, що розмах крил відповідає за більшу частину мінливості форми та ваги тварин. Використовуючи стовбурове дерево, дослідники отримали дані про масу, голову тварин та площу поверхні крила для додаткових 59 видів птерозаврів на додаток до існуючих 16. Таким чином, до остаточної бази даних було включено 75 птерозаврів, що охоплюють більшу частину різноманітності групи. Дослідники також визначили 1000 точок даних для раніше обговорених індексів транспортних витрат (COT) та швидкості спуску (Vz).

Археоптерикс (на фото) та інші динозаври, схожі на птахів, що з’явилися в пізній юрі, мали значний вплив на еволюцію птерозаврів. Фото: Х. Рааб

Оскільки маса тварин пов’язана з обома показниками, дослідникам також довелося врахувати цю зміну, вивчаючи еволюцію тварин. Вони дійшли висновку, що маса птерозаврів, як і очікувалося, з часом дійсно зростала. Можливо, що важливіше, існують важливі відмінності в темпах зростання. Хоча дослідники не знайшли істотних змін від їх зовнішнього вигляду приблизно 220 мільйонів років тому до 150 мільйонів років тому, вага тварин зросла майже вдесятеро за наступні 65 мільйонів років. Здається, все це збігається з пізньоюрською та пізнішою крейдовою появою динозаврів, схожих на птахів.

Ефективність їх польоту постійно зростала, за винятком однієї групи

Потім дослідники розглянули зміну показників польотів. Для цього підгрупу з більш наземним способом життя, Аждархоїди, порівнювали з іншими птерозаврами, припускаючи, що здатність ефективно літати не була такою важливою для перших. Аждархоїди були великими, крейдяними птерозаврами - членами цієї групи були могутні Кетцалькоатли. (Він виявив скам'янілості, що належать одному і тому ж місцю, зі своїми колегами Аттілою Асі в 2010 році в Угорщині, поблизу Іхаркута, на пізньому крейдовому періоді.) Це було у перекритті давніх дебатів про те, чи могли тварини, що належать до цієї підгрупи, літати зовсім. Зараз дослідники прийшли до висновку, що вони також мали змогу літати, але жоден з їх показників ефективності польоту з часом істотно не змінився - можливо, тому, що їм це не було потрібно через їхній спосіб життя.

Розмах крил Нортропі величезного Кецалькоатла відповідав меншому польоту Ілюстрація: Марк Віттон і Даррен Найш

На відміну від цього, інші птерозаври значно покращили ефективність польоту, також враховуючи збільшену вагу тварин. Однак поява динозаврів, схожих на птахів, схоже, не справила значного впливу на це. Також виявилося, що порівняно з птерозаврами 200 мільйонів років тому ті, хто мешкав у кінці Криту, 70 мільйонів років тому, змогли літати на 50 відсотків ефективніше, принаймні з точки зору індексу транспортних витрат. Те саме можна побачити і зі значенням Vz, яке виражає швидкість спуску, яке показує 46-відсоткове зменшення під час еволюції птерозавра, тобто це означає таке підвищення ефективності польоту.

Результати нового дослідження дозволяють припустити, що птерозаври, за винятком однієї підгрупи, з часом могли літати ефективніше. Природний відбір відокремив зміни в розмірах їх тіла та розмаху крил, врешті-решт перетворившись на ефективних і довголітних тварин. Хоча поява динозаврів, схожих на птахів, не суттєво вплинуло на це, це все ж збільшило вагу тварин. Метод, використаний у дослідженні, де дослідники поєднували біофізичні моделі з сімейним деревом для вивчення споріднених стосунків, також може бути дуже корисним в інших майбутніх еволюційних дослідженнях.