Почему так? Птицы, рептилии и земноводные. Том 10

1. Какой признак отличает птиц от всех остальных современных животных?

Крылья, клюв и способность откладывать яйца по отдельности не позволяют надёжно отличить птицу от любого другого животного. Крылья есть у летучих мышей и насекомых, яйца откладывают многие группы, а клюв встречается, например, у черепах. Характерный признак всех современных птиц — перья. Они выполняют разные задачи: участвуют в полёте, сохраняют тепло, защищают тело и передают зрительные сигналы. Даже птицы, утратившие способность летать, остаются пернатыми. Если рассматривать не только живущих сегодня животных, а ископаемую историю, картина шире: перья имелись и у некоторых нептичьих динозавров. Поэтому признак нужно обсуждать с учётом времени и родства. Для современной фауны перьевой покров представляет удобный отличительный ориентир, а в эволюционной истории связывает птиц с их древними родственниками.

Источники: S01

2. Почему опахало пера не рассыпается на отдельные ниточки?

По сторонам центрального стержня пера отходят бородки, а от них — ещё более тонкие бородочки. На части этих мелких ветвей есть крючочки, соединяющие соседние элементы. Благодаря множеству таких сцеплений возникает цельное опахало, способное работать как поверхность крыла. Если некоторые связи разошлись, птица может восстановить их при чистке, проводя клювом по перу. Получается лёгкая разветвлённая конструкция, которая держится не сплошным тяжёлым листом, а сетью соединений. Однако все перья не устроены одинаково. У пуховых сцепления значительно слабее, поэтому они остаются мягкими и воздушными. Различие микроскопического устройства создаёт разные функции: плотное опахало удобно для управления воздухом, а рыхлые ветви удерживают его возле тела. Форма пера становится понятной через работу его мельчайших частей.

Источники: S02

3. Почему пух помогает птице сохранять тепло?

Мягкие пуховые перья образуют возле тела слой, в котором задерживается воздух. Этот воздух плохо переносит тепло наружу, если не перемешивается слишком активно. Поэтому пух не нагревает птицу сам: тепло производит организм, а перьевой покров уменьшает его потерю. Рыхлая структура с многочисленными тонкими ветвями создаёт множество небольших воздушных пространств. Когда птица распушает покров, толщина защитного слоя может увеличиваться. Внешние перья прикрывают внутреннюю часть от воздействий среды. Важно, чтобы покров оставался в хорошем состоянии: вода и сильное нарушение структуры меняют его свойства. Такая защита полезна и на отдыхе, и при холодной погоде, однако она не отменяет необходимости получать энергию с пищей. Теплоизоляция и работа обмена веществ вместе поддерживают температуру живого организма.

Источники: S03

4. Почему полые кости птицы остаются прочными?

Некоторые кости птиц содержат воздушные пространства, но это не превращает их в пустые хрупкие трубочки. Внутри располагаются костные перемычки, укрепляющие конструкцию. Форма и распределение материала помогают выдерживать нагрузки при сравнительно небольшой массе. Птица во время движения испытывает сгибание и скручивание костей, поэтому простое уменьшение количества ткани без усиления было бы опасным. Воздушные полости связаны также с особенностями дыхательной системы. При этом не каждая кость любой птицы одинаково пневматизирована: строение зависит от вида и образа жизни. У ныряющих форм требования могут отличаться от требований активного воздушного полёта. Правильнее говорить о разных вариантах лёгкого и прочного скелета, чем о полностью пустом наборе костей. Прочность определяется устройством всей конструкции, а не только её весом.

Источники: S04

5. Зачем птицам воздушные мешки?

У птиц лёгкие связаны с воздушными мешками, которые помогают перемещать воздух по дыхательной системе. Основной газообмен происходит в лёгких, а мешки участвуют прежде всего в вентиляции. Благодаря устройству путей воздух проходит через газообменные участки преимущественно в одном направлении, в том числе на разных фазах дыхательного цикла. Полное прохождение одной порции воздуха требует нескольких последовательных этапов вдоха и выдоха. Это отличается от простого образа мешка, который наполняется и опустошается через одно отверстие. Для активного полёта необходимо снабжать работающие мышцы кислородом, поэтому эффективное дыхание особенно важно. Но воздушные мешки есть и у птиц, которые не летают. Их система связана с общей эволюционной историей группы и выполняет физиологические задачи независимо от способности взлететь.

Источники: S05

6. У современных птиц совсем нет зубов?

Современные птицы не имеют настоящих зубов. На клюве или во рту некоторых видов можно увидеть выступы, которые внешне напоминают зубцы, однако это другие структуры. Они помогают захватывать или удерживать пищу, но не являются зубами с тем же строением, что у млекопитающих. Птица может разрывать добычу клювом, проглатывать небольшие куски или получать жидкий корм — способ зависит от вида. Дальнейшая обработка пищи происходит в пищеварительном тракте. Отсутствие зубов не означает, что птицы произошли от совершенно беззубых животных: среди их древних родственников известны зубастые формы. Поэтому современную анатомию важно отличать от всей истории группы. Название вида со словом зуб тоже не доказывает наличие настоящих зубов: оно может относиться к необычной форме края клюва.

Источники: S06

7. Почему некоторые птицы проглатывают мелкие камешки?

У птицы есть мышечный отдел желудка, который называют мускульным желудком или желудком-жерновом. У видов, питающихся твёрдыми семенами и другими плотными продуктами, его стенки особенно сильные. Проглоченные мелкие камешки помогают механически измельчать пищу при сокращениях мышц. Так обработка переносится внутрь тела, вместо пережёвывания зубами во рту. Размеры и устройство этого отдела различаются между видами: потребителю мягкой пищи не требуется такая же мощная работа, как зерноядной птице. Поэтому нельзя считать глотание камней обязательным занятием каждой птицы. У хищных видов желудок участвует также в отделении непереваренных остатков, которые могут выводиться в виде погадки. Функция органа зависит от рациона, а камешки представляют один из способов облегчить дробление пищи после её проглатывания.

Источники: S07

8. Почему страус не летает, хотя у него есть крылья?

Для полёта недостаточно просто иметь крылья: их площадь, форма, мышцы и масса тела должны обеспечивать нужную аэродинамическую работу. У страуса очень крупное тело и сравнительно небольшие крылья, которые не поднимают его в воздух. Его строение приспособлено к передвижению по земле, особенно к быстрому бегу на длинных сильных ногах. Крылья при этом не исчезли и могут участвовать в демонстрациях и управлении положением тела. Потеря полёта в эволюции не означает исчезновения всех особенностей птицы. Страус сохраняет перья, клюв и другие общие признаки, но использует иной образ жизни. Оценивать его крылья только как испорченный летательный аппарат было бы неверно: функции части тела способны меняться. Современный страус представляет самостоятельное сочетание приспособлений крупной наземной птицы.

Источники: S08

9. Как пингвин использует крылья под водой?

Крылья пингвина преобразованы в жёсткие ластообразные органы. В воде они создают движущую силу, а тело продвигается вперёд, пока птица ищет добычу. Воздух и вода имеют разные свойства, поэтому крыло, подходящее для ныряния, отличается от широкого гибкого крыла многих летающих птиц. Пингвин не взлетает, однако активно передвигается в другой среде. Обтекаемое тело уменьшает сопротивление, а конечности помогают управлять направлением. Для дыхания птица возвращается к поверхности: подводное движение не превращает её в животное с жабрами. Питание, теплоизоляция и выбор места размножения тоже связаны с морским образом жизни. Этот пример показывает, как общий план строения передней конечности птиц может использоваться иначе: вместо воздушного полёта получается эффективное плавание с помощью изменённых крыльев.

Источники: S09

10. Как колибри удаётся лететь назад?

Колибри может отступать от цветка, продолжая работать крыльями. Для этого меняется положение тела и направление движения крыльев, так что результирующая сила поддерживает полёт назад. Это управляемый воздушный манёвр, а не простое падение после остановки. Исследователи изучали его у колибри Анны в аэродинамической трубе, одновременно снимая движения и измеряя потребление кислорода. Оказалось, что обратный полёт сопровождается определёнными изменениями кинематики и не обязательно требует больше энергии, чем движение вперёд с сопоставимой скоростью. Важна конкретная техника, а не одно только число взмахов. Для кормления у цветков возможность зависнуть, приблизиться и отойти особенно удобна. Колибри показывает, насколько точно птица может управлять пространственным положением, сочетая быстрые движения крыльев с изменением их ориентации относительно тела.

Источники: S10

11. Зачем птицы меняют перья, если уже умеют их чистить?

У выпавшего пера нет возможности зажить, как у повреждённой кожи. Его сформированная часть состоит из ороговевшего материала: надломленный стержень не срастается, а истёртые участки опахала не отрастают по краям. Чистка помогает поддерживать порядок, но постепенно оперение всё равно изнашивается. Решение — линька, во время которой старые перья заменяются новыми. Выращивание перьев требует питательных веществ и энергии, поэтому сроки линьки связаны с другими событиями годового цикла. Птице приходится сочетать обновление покрова с размножением, перелётами и поиском пищи. У многих видов замена идёт постепенно: часть перьев уже новая, часть ещё старая. Поэтому одна и та же птица в течение нескольких недель может выглядеть по-разному. Иногда обновляется лишь часть оперения. Такой порядок позволяет распределять затраты и сохранять защитные свойства перьевого покрова.

Источники: S11

12. Откуда берётся синий цвет пера, если в нём нет синей краски?

Цвет зависит не только от вещества, поглощающего определённые лучи, но и от устройства поверхности. В синих перьях многих птиц работают крошечные структуры из кератина и воздушных промежутков. Они взаимодействуют со светом так, что к наблюдателю преимущественно возвращается синяя часть спектра. Получается структурная окраска: цвет создаёт микроскопическое строение пера. Тёмный пигмент может поглощать оставшийся свет и делать синий оттенок насыщеннее. Такое перо интересно рассматривать при разном освещении. В отражённом свете оно выглядит синим, а на просвет может казаться буроватым. При этом состав самого пера не меняется — меняется путь света. Структурная окраска встречается и в сочетании с пигментной. У некоторых попугаев зелёный цвет возникает благодаря совместному действию жёлтого пигмента и структуры, отражающей синий свет.

Источники: S12

13. Почему горло колибри то сверкает, то кажется тёмным?

Колибри поворачивает голову — и яркая вспышка исчезает. Здесь особенно заметна радужная структурная окраска, или иризация. В бородочках перьев располагаются микроскопические слои, взаимодействующие со световыми волнами. Их устройство определяет, какие цвета усиливаются и в каком направлении отражается свет. Поэтому видимый оттенок зависит от взаимного положения птицы, источника света и наблюдателя. Когда направление удачное, перья выглядят почти светящимися; при другом угле тот же участок становится тусклым. Птица не включает внутреннюю лампочку и не меняет пигмент за секунду. Она меняет положение отражающей поверхности. Во время демонстраций движения могут превращать оперение в череду заметных вспышек. Для другой колибри такая картина богаче, чем для человека: зрительная система этих птиц воспринимает также ультрафиолетовую часть спектра, недоступную нашему обычному зрению.

Источники: S13

14. Для чего птице маленькое крылышко на переднем крае крыла?

На переднем крае птичьего крыла можно заметить небольшой пучок перьев — крылышко, или алулу. Оно связано с первым пальцем и особенно полезно при медленном полёте, например перед посадкой. В такой момент птица держит крыло под большим углом к набегающему воздуху. При чрезмерном угле поток может отрываться от поверхности, а подъёмная сила резко уменьшаться. Выдвинутая алула меняет движение воздуха возле крыла. Эксперименты показали, что создаваемый ею вихрь способен задерживать отрыв потока и поддерживать подъёмную силу при больших углах атаки. Маленькая деталь помогает управлять полётом там, где запас скорости невелик. Её действие связано с аэродинамикой всего крыла: размер, положение и форма важны вместе. Это особенно выразительный пример того, как небольшая часть тела участвует в сложном манёвре.

Источники: S14

15. Как птица может держаться в воздухе почти на одном месте?

Представьте птицу, которая смотрит навстречу ветру и словно застыла над склоном. Относительно земли она почти неподвижна, но относительно воздуха продолжает двигаться: поток набегает на раскрытые крылья. Взаимодействие крыла с этим потоком создаёт подъёмную силу. Для её возникновения важна скорость воздуха возле крыла, а не только скорость перемещения над землёй. Поэтому встречный ветер иногда позволяет птице удерживать положение с небольшими затратами на взмахи. Чтобы оставаться на месте, приходится постоянно корректировать наклон тела и крыльев: ветер меняется, а равновесие легко нарушается. При ослаблении подходящего потока потребуется активнее работать крыльями или перемещаться. Такое зависание на ветру отличается от полёта колибри, которая поддерживает себя быстрыми взмахами даже в спокойном воздухе. Внешне похожее положение достигается разными способами.

Источники: S15

16. Почему парящая птица кружит и постепенно набирает высоту?

Солнце нагревает земную поверхность неравномерно. Над особенно тёплыми участками воздух тоже нагревается и поднимается, образуя восходящие потоки — термики. Крупная птица может использовать такой поток как воздушный подъёмник. Она разворачивается по кругу, оставаясь внутри области, где воздух движется вверх, и набирает высоту с редкими взмахами или совсем без них. За пределами потока при обычном планировании высота постепенно теряется. Поэтому круги над одним местом имеют практический смысл: птица удерживается в подходящем участке воздуха. Поднявшись, она может скользить дальше и искать следующий термик. Источник энергии здесь — нагрев поверхности, а крылья позволяют этой энергией воспользоваться. Парение остаётся управляемым полётом: птица выбирает траекторию, меняет наклон крыльев и реагирует на движение воздуха, хотя издалека кажется, будто просто висит в небе.

Источники: S16

17. Почему полёт совы такой тихий?

У охотящейся совы слышимость крыльев имеет особое значение: шум способен предупредить добычу и мешает самой птице прислушиваться. У многих сов края и поверхности маховых перьев устроены иначе, чем у птиц с громким полётом. На переднем крае заметны зубчатые выросты, задний край образует мягкую бахрому, а поверхность пера имеет бархатистую структуру. Эти особенности меняют взаимодействие воздуха с крылом и уменьшают некоторые источники аэродинамического шума. Помогают и большие крылья относительно массы тела: охотиться можно на сравнительно небольшой скорости. Однако степень тишины зависит от вида, манёвра и скорости. Даже сова не становится физически беззвучной при любых обстоятельствах. Её приспособления особенно полезны в условиях обычной охоты. Тихий полёт складывается из строения оперения, размеров крыла и того, как птица движется.

Источники: S17

18. Зачем утка долго перебирает перья клювом после купания?

Для утки уход за оперением — повседневная работа с защитным покровом. Проводя клювом по перьям, птица возвращает бородочки на место и восстанавливает сцепление между ними. Ровная поверхность лучше отводит воду и сохраняет форму. Во время чистки по оперению распределяются также маслянистые выделения, помогающие поддерживать его состояние. Водоотталкивающий покров получается благодаря совместному действию строения перьев и ухода за ними. Под наружными перьями находится рыхлый слой, удерживающий воздух. Он помогает сохранять тепло, а у водоплавающих птиц участвует и в обеспечении плавучести. Если наружный покров утратит свои свойства и вода проникнет глубже, условия возле кожи изменятся. Поэтому утка занимается перьями даже тогда, когда человеку они кажутся совершенно чистыми. Она поправляет не только внешний вид, но и устройство своего защитного слоя.

Источники: S18

19. Почему взрослая утка иногда временно не может летать?

Летом привычные утки могут скрываться у воды и гораздо реже подниматься в воздух. Причина бывает в особом порядке линьки. У кряквы маховые перья сменяются одновременно, поэтому примерно на три-четыре недели птица теряет возможность летать. Новые перья должны вырасти прежде, чем крылья снова станут пригодны для полёта. В этот уязвимый период особенно важны вода, укрытия и возможность кормиться без дальних воздушных перемещений. Одновременно меняется и внешний облик: покровные перья могут приобретать менее заметную окраску. По одному наблюдению наземной утки нельзя уверенно заключить, что она больна или травмирована. Но и любую невозможность взлететь объяснять линькой было бы ошибкой. Важны сезон и состояние птицы. В отличие от постепенной замены маховых перьев, такой способ обновления требует пережить временный перерыв в полётах.

Источники: S19

20. Как чайка стоит на льду, сохраняя тепло внутри тела?

Лапы чайки могут быть гораздо холоднее её туловища. Поддерживать их при высокой температуре было бы невыгодно: через поверхность, соприкасающуюся со льдом, быстро уходило бы тепло. В ногах помогает противоточный теплообмен. Сосуды, по которым тёплая кровь движется от тела, располагаются рядом с сосудами, возвращающими более холодную кровь от лапы. Тепло передаётся между встречными потоками ещё до того, как кровь достигнет наружных частей конечности. В результате возвращающаяся кровь согревается, а поступающая в лапу успевает остыть. Так уменьшается разница температур между лапой и окружающей средой, а вместе с ней — тепловые потери. Кровоснабжение при этом сохраняется. Возможности такой системы ограничены условиями и состоянием птицы: она снижает затраты на обогрев, но не превращает живую ткань в материал, которому любой мороз безразличен.

Источники: S20

21. Почему птица иногда отдыхает, спрятав одну лапу в перья?

У стоящей птицы лапы остаются открытыми для холодного воздуха или воды. Спрятав одну из них в оперение живота, птица уменьшает площадь тела, через которую теряется тепло. Потом она может поменять ноги: та, что была наружу, оказывается под защитой перьев. Такой способ особенно понятен при наблюдении за водоплавающими птицами в холодную погоду. Он дополняет другие механизмы сохранения тепла, а не заменяет их. Перья удерживают возле тела воздух и создают более тёплое укрытие для поджатой конечности. Вместе с тем одинаковая поза не всегда означает одинаковую причину. По одному снимку нельзя измерить тепловое состояние птицы или установить, почему она выбрала именно такую стойку. Но прятать открытую лапу в перья — вполне действенный способ сократить тепловые потери во время отдыха.

Источники: S21

22. Может ли огромный клюв тукана помогать ему охлаждаться?

Большой клюв тукана служит не только для обращения с пищей. В нём проходит сеть кровеносных сосудов, и поверхность клюва может отдавать тепло окружающему воздуху. Меняя кровоток, птица регулирует эту теплоотдачу. Особенно наглядно процесс виден при съёмке тепловизором: температура поверхности клюва меняется, хотя его обычная окраска остаётся прежней. Исследования большого тукана показали, что клюв работает как управляемый теплообменник. Важны и большая площадь поверхности, и возможность направлять к ней тёплую кровь. Такой способ охлаждения не требует покрывать весь клюв потом. При этом результат зависит от температуры воздуха: тепло легче передавать туда, где холоднее. У одной заметной части тела оказывается несколько функций, поэтому объяснять её размеры только удобством добывания пищи было бы слишком узко.

Источники: S22

23. Можно ли узнать всю жизнь птицы только по форме её клюва?

Массивный клюв, удобный для обработки пищи, или длинный тонкий клюв, позволяющий добраться до нектара, действительно подсказывают особенности кормления. Но клюв участвует и в других занятиях: птица чистит им перья, переносит строительный материал, взаимодействует с соседями. Его форма связана также с передачей тепла и особенностями звучания голоса. Поэтому похожее питание не обязывает разные виды иметь совершенно одинаковые клювы. Орган эволюционирует под действием нескольких требований одновременно, и их сочетание зависит от образа жизни. Исследования медососов, например, рассматривают вместе питание, климат и вокализацию. По клюву можно выдвинуть полезную гипотезу, но затем её проверяют наблюдениями. Птица может использовать один инструмент для множества задач, а внешняя форма отражает компромисс между ними, а не одну-единственную причину.

Источники: S23

24. Правда ли, что птицы почти не чувствуют запахов?

Для всех птиц такое утверждение слишком широкое. У грифа-индейки обоняние играет важную роль в поиске падали: птица способна заметить пищевой источник по запаху, даже когда он плохо виден сверху. Во время поиска она использует также зрение, а поведение других падальщиков может подсказать место кормления. Разные сведения дополняют друг друга. У некоторых других грифов зрительные ориентиры имеют большее значение, поэтому даже близкий образ жизни не означает одинакового соотношения чувств. Нельзя оценивать способность целой группы животных по привычной нам городской птице или по тому, насколько заметны её ноздри. Значение обоняния выясняют наблюдениями и экспериментами с доступностью запаховых сигналов. Птицы воспринимают окружающий мир разными способами, и хорошее зрение вполне может сочетаться с развитой чувствительностью к запахам.

Источники: S24

25. Где находятся настоящие уши совы?

Торчащие на голове некоторых сов пучки напоминают уши, но состоят из перьев. Настоящие слуховые отверстия скрыты по бокам головы под оперением. Заметные перьевые пучки не являются входом в слуховой проход. Поэтому сова с гладкой округлой головой вовсе не лишена слуха: у неё просто нет таких наружных украшений. Хороший пример — сипуха, у которой выражен лицевой диск, но отсутствуют выступающие пучки. Чтобы понять устройство слуха, нужно рассматривать расположение отверстий и окружающих их структур, а не силуэт головы. Отдельный вопрос — зачем некоторым видам нужны сами пучки. Их функция обсуждается, и простого общепринятого объяснения для всех случаев нет. Удобное человеческое название «ушки» помогает описывать внешность, но может вводить в заблуждение, если воспринимать его как анатомический термин.