Крылатые гиганты прошлого были неспособны к динамическому парению

Поведение ископаемых животных, увы, не окаменевает. Поэтому установить, как именно они передвигались, довольно сложно. Ученым приходится использовать сложные аэродинамические модели, чтобы попытаться разобраться в особенностях механики полета древних существ. Рисунок © Chihiro Kinoshita с сайта eurekalert.org

Как летали древние крылатые животные, в два-три раза превосходившие размахом крыльев крупнейших современных птиц? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Группа ученых из Японии и Франции использовала аэродинамические модели для оценки характеристик парящего полета вымерших гигантов — древних птиц аргентависа и пелагорниса и птерозавров птеранодона и кетцалькоатля. Сравнив эти оценки с показателями современных птиц, исследователи пришли к выводу, что древние птицы с шести-семиметровым размахом крыльев и птерозавры примерно такого же размера вполне могли парить в воздухе, используя для этого восходящие потоки воздуха (это так называемое статическое парение), а вот у гигантских птерозавров с размахом крыльев двенадцать метров с парящим полетом уже были проблемы.

За всю историю нашей планеты способность к активному полету неоднократно развивалась у самых разных животных, от крошечных до поистине исполинских. Так, самым мелким летающим животным в истории Земли считается современный вид микроскопических ос-наездников Dicopomorpha echmepterygis. Самки этих наездников длиной всего 550 мкм, ненамного больше инфузории-туфельки, а бескрылые и слепые самцы примерно втрое меньше. Что касается рекордсменов с противоположной стороны шкалы, то там «призовые места», бесспорно, оккупировали гигантские птерозавры: размах их крыльев достигал 11–12 метров (как, например, у хацегоптерикса), что сопоставимо с габаритами легкого самолета Як–12.

Взлет «орнитоптера» в 1984 году — первая попытка оценить полетные характеристики птерозавра на реальной модели. Фото из статьи P. MacCready, 1984. The Great Pterodactyl Project

И если с современными крошками вопросов о возможности полета не возникает, то вымершие великаны, от которых сохранились только окаменевшие кости, вот уже на протяжении века заставляют ученых пытаться объяснить, каким образом столь огромные существа исхитрялись не только взлетать, но и оставаться в воздухе (E. H. Hankin, D. M. S. Watson, 1914. On the Flight of Pterodactyls). Результаты первых биомеханических исследований с использованием полноразмерной модели животного показали, что 80-килограммовый птерозавр вполне мог оставаться в воздухе, паря на воздушных потоках (P. MacCready, 1984. The Great Pterodactyl Project). Теперь, однако, оценка веса гигантских птерозавров существенно выросла, и считается, что, скажем, кетцалькоатль (Quetzalcoatlus) с 12-метровым размахом крыльев должен был весить не меньше 200 килограммов (D. M. Henderson, 2010. Pterosaur body mass estimates from three-dimensional mathematical slicing).

После этого мнения разделились: в то время как одни ученые считали кетцалькоатля и подобных ему гигантских птерозавров нелетающими наземными хищниками, другие приписывали им великолепные летные возможности и способность оставаться в воздухе в течение нескольких дней, пролетая до 19 тысяч километров (M. P. Witton, M. B. Habib, 2010. On the Size and Flight Diversity of Giant Pterosaurs, the Use of Birds as Pterosaur Analogues and Comments on Pterosaur Flightlessness). Последняя возможность, разумеется, должна быть связана со способностями кетцалькоатля к парящему полету, как и у крупнейших современных птиц, которые большую часть времени летают, используя энергию ветра или восходящих тепловых потоков (K. Sato et al., 2009. Scaling of soaring seabirds and implications for flight abilities of giant pterosaurs). Но способен ли был этот великан, равно как и другие вымершие гиганты, парить в воздухе?

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала придется вспомнить, что у современных птиц существует два основных способа парения: динамическое и статическое. При динамическом парении птица использует разницу в скорости ветра на разной высоте, чтобы, перемещаясь между слоями воздуха, поддерживать скорость собственного полета: так летают многие морские птицы с длинными, но узкими крыльями — например, альбатросы. Сначала они скользят вниз по ветру, набирая скорость, а у самой воды, где скорость ветра уменьшается за счет трения о воду, разворачиваются против ветра и снова поднимаются вверх, где воздух движется быстрее.

Статическое парение осуществляется за счет восходящих потоков воздуха: это могут быть термики, теплые воздушные потоки, или просто поднимающиеся массы воздуха, возникающие над различными наземными препятствиями, такими как горы или лес. Кругами поднимаясь с помощью восходящего потока на большую высоту, птица затем начинает медленно скользить вниз, используя для этого свои длинные и широкие крылья, которые можно увидеть, например, у орлов (см. новость Скопы при дальних перелетах над морем используют восходящие воздушные потоки, «Элементы», 19.01.2019).

Каждый тип парения предъявляет свои требования к площади и длине крыльев, а также к нагрузке на них. Поэтому, зная о соответствующих показателях современных парящих птиц, ученые решили выяснить, были ли способны передвигаться таким образом вымершие виды. «Подопытными» стали четыре крылатых гиганта древности — две птицы и два птерозавра: аргентавис (Argentavis; миоценовая птица с размахом крыльев около 7 метров), пелагорнис (Pelagornis; олигоценовая птица с размахом крыльев около 7 метров), птеранодон (Pteranodon; размах крыльев около 6 метров) и кетцалькоатль (размах крыльев около 9 метров).

Для сравнения были выбраны несколько видов современных птиц с различными способностями к парению: например, странствующий альбатрос (Diomedea exulans; размах крыльев около 3 метров) является «экспертом» динамического парения, калифорнийский кондор (Gymnogyps californianus; размах крыльев 2,75 метра) и великолепный фрегат (Fregata magnificens; размах крыльев 2,3 метра) предпочитают статическое парение, а у африканской большой дрофы (Ardeotis kori; размах крыльев 2,5 метра) способности к парению практически отсутствуют. Отмечу, что все приведенные цифры взяты из обсуждаемой статьи, в реальности размах крыльев кетцалькоатля мог быть несколько больше (M. P. Witton, M. B. Habib, 2010. On the Size and Flight Diversity of Giant Pterosaurs, the Use of Birds as Pterosaur Analogues and Comments on Pterosaur Flightlessness).

Африканская большая дрофа — самая тяжелая из современных летающих птиц: крупные самцы весят до 19 кг! Неудивительно, что эти птицы редко поднимаются на крыло и большую часть времени проводят на земле. Фото © Arnstein Rønning с сайта en.wikipedia.org

Чтобы понять, какой способ парения могли использовать вымершие животные, ученые рассчитали различные показатели их полета, например, минимальную скорость ветра, необходимую для устойчивого парения, и коэффициент планирования, то есть отношение расстояния, которое преодолевает животное, к высоте, которую оно теряет, чтобы его преодолеть. Ряд данных, полученных предыдущими исследователями, принимался во внимание, но мог быть скорректирован в соответствии с более современными данными о стиле полета (например, было выяснено, что наиболее эффективным полет птерозавров был при низких скоростях, и мембраны их крыльев не могли выдержать скоростного полета; C. Palmer, 2010. Flight in slow motion: aerodynamics of the pterosaur wing, C. Palmer, 2017. Inferring the properties of the pterosaur wing membrane) и размерах вымерших животных. Поскольку в вопросе о массе гигантских птерозавров все еще наблюдаются разногласия, авторы использовали несколько оценок из разных работ.

Динамика парящих животных рассчитывалась с помощью уравнения движения, при этом процедура расчета отличалась для динамического и термального парения. Ученые количественно оценили динамические характеристики парения и требуемую скорость ветра, используя физическую модель и метод численной оптимизации. Этот метод был разработан в инженерной сфере и обеспечивает основу для количественной оценки динамических характеристик парения и необходимых ветровых условий для планеров и птиц. Однако, несмотря на его эффективность, единственным животным, к которому до сих пор применялся этот метод, был странствующий альбатрос: он никогда не применялся к вымершим гигантским летунам.

Согласно выводам авторов, гигантские вымершие птицы и птеранодон были способны только к термальному парению, а вот кетцалькоатля вообще они переместили в разряд «плохих парителей». Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS Nexus

Особенно «не повезло» динамическому парению: расчеты исследователей показали, что аргентавис, птеранодон и кетцалькоатль точно не были способны к такому типу полета из-за чрезвычайно высоких требуемых скоростей ветра и более низких динамических характеристик парения, чем у всех современных птиц. Для пелагорниса же окончательный вердикт сильно зависел от оценки массы тела: при максимально возможной (40 килограммов) эта гигантская птица также оказывалась «за пределами» характеристик, необходимых для эффективного парения, но даже при вдвое меньшей массе 22 килограмма пелагорнис все еще был плохим парителем, уступавшим в этом отношении альбатросу. Хотя ранее считалось, что длинные узкие крылья пелагорниса идеально подходят для такого типа парения (D. T. Ksepka, 2014. Flight performance of the largest volant bird), новые модели свидетельствуют, что у пелагорниса крылья были слишком длинными для эффективного динамического полета.

Что касается термального парения, то все вымершие виды продемонстрировали высокие характеристики парения с коэффициентом планирования, сопоставимым с современными видами. Что касается фазы парения, то есть подъема в кружащем полете по восходящему воздушному потоку, то, по подсчетам авторов, у пелагорниса, аргентависа и птеранодона характеристики были не только сопоставимы, но иногда даже лучше, чем у нынешних птиц. В случае птеранодона данные несколько варьировали в зависимости от предполагаемой массы животного, но в любом случае укладывались в показатели современных парящих птиц. А вот про другого птерозавра, кетцалькоатля, такого сказать нельзя: его способности к парению были чрезвычайно низкими, уступая даже показателям африканской большой дрофы, которая летает редко и никогда не парит в воздухе.

Вполне возможно, что кетцалькоатль много ходил пешком и крайне неохотно поднимался на крыло, будучи скорее наземным, чем воздушным хищником. Рисунок © Julio Lacerda с сайта eartharchives.org

Таким образом, проведенное авторами моделирование подтверждает предыдущие данные о способе полета аргентависа (S. Chatterjee et al., 2007. The aerodynamics of Argentavis, the world's largest flying bird from the Miocene of Argentina), конкретизирует способ полета птеранодона (про которого ранее предполагались, что он способен парить как динамически, так и статически) и полностью изменяет представления о полете пелагорниса и кетцалькоатля, один из которых из динамических парителей оказался «переквалифицирован» в термальные, а второго вообще «вычеркнули» из разряда способных к парению животных. Ранее считалось, что кетцалькоатль передвигался по воздуху как раз в основном за счет парения, так как не мог долгое время взмахивать крыльями (M. P. Witton, M. B. Habib, 2010. On the Size and Flight Diversity of Giant Pterosaurs, the Use of Birds as Pterosaur Analogues and Comments on Pterosaur Flightlessness). Теперь, учитывая, что его способности к парению могли быть даже хуже, чем у современных дроф, можно лишь предположить, что этот гигантский птерозавр поднимался в воздух ненадолго, для коротких энергичных перелетов, во время которых ему приходилось постоянно работать крыльями.

Учитывая адаптации кетцалькоатля к ходьбе (M. P. Witton, D. Naish, 2008. A reappraisal of azhdarchid pterosaur functional morphology and paleoecology), отсутствие адаптаций к долгому машущему полету и филогенетическую тенденцию птерозавров-аждархид к снижению эффективности полета (Полет птерозавров в ходе эволюции неуклонно совершенствовался, «Элементы», 02.11.2020), можно предположить, что образ жизни этих великанов скорее напоминал не орлов и грифов, а, скажем, кафрского рогатого ворона (Bucorvus leadbeateri), который большую часть времени находится на земле, где ищет пищу и общается с сородичами. Возможно, если бы не массовое вымирание 66 миллионов лет назад, дальнейшая эволюция аждархид привела бы к появлению полностью нелетающего животного, напоминающего наших страусов.

Конечно, полученные данные (и это признают авторы исследования) нельзя считать абсолютными: полетные характеристики летающих существ во многом будут зависеть не только от размеров и массы животных, но и от палеоэкологических особенностей местности, в которой они обитали (например, полет в ущелье будет существенно отличаться от полета над равниной), а наше понимание механики полета древних животных сильно зависит и от выбранных моделей, и от полноты знаний об их анатомических особенностях.

Источник: Y. Goto, K. Yoda, H. Weimerskirch, K. Sato. How did extinct giant birds and pterosaurs fly? A comprehensive modeling approach to evaluate soaring performance // PNAS Nexus. 2022. DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac023.

Анна Новиковская