Неліктен пингвиндер ұшпайды?

Құстар ұшу идеясын бейнелейді — олардың қанаттары, қауырсындары және қуыс сүйектері ауа кеңістігін бағындыруға арналған мінсіз құрал сияқты көрінеді. Алайда шамамен он мыңға жуық құс түрінің арасында бұл қабілеттен толық бас тартқандар бар — олардың ішінде пингвиндер ерекше орын алады. Бұл қара-ақ түсті тіршілік иелері биологиялық тұрғыдан толыққанды құстар — оларда қанаттар, қауырсындар және тұмсық бар, — бірақ аспан олар үшін мәңгілікке жабық. Пингвиндердің неге ұшпайтыны туралы сұрақ қарапайым көрінеді, алайда оның артында эволюциялық таңдау, ымыралар және мүлде басқа ортаға тамаша бейімделу туралы қызықты тарих жатыр. Бұл сұрақтың жауабы эволюцияның қалай жұмыс істейтінін түсінуге мүмкіндік береді — ол үздіксіз жетілу процесі емес, тіршілік үшін қарама-қайшы талаптар арасындағы тепе-теңдікті үздіксіз іздеу болып табылады.

Қанат — эволюциялық ымыра

Пингвиндердің ұшпайтыны туралы сұрақтың негізінде эволюцияның іргелі қағидасы жатыр — бір мүшені бір мезгілде екі түбегейлі әртүрлі функция үшін оңтайландыру мүмкін емес. Ауада ұшуға мінсіз қанат пен суда жүзуге мінсіз жүзбе мүше пішіні, массасы және қаттылығы бойынша бір-біріне қарама-қарсы талаптарға ие.

Ұшу үлкен беті бар қанаттарды, жеңіл қуыс сүйектерді және кең қозғалыс амплитудасын талап етеді. Су астында жүзу, керісінше, қысқа әрі қатты «ескектерді», суға батуды жеңілдететін тығыз сүйектерді және тығыз ортада алға тарту күшін тудыратын қуатты бұлшықеттерді талап етеді. Бұл екі талап жиынтығы бір анатомиялық құрылымда үйлесе алмайды.

Пингвиндердің эволюциясы су ортасына мамандануды таңдады — және бұл шешім қайтымсыз салдарға әкелді:

• қанат сүйектері тығыздалып, қысқарып, ұшатын құстардың сүйектеріне емес, жүзбе аяқтылардың сүйектеріне ұқсай бастады;
• «қанатты» басқаратын бұлшықеттер ауада қағу үшін емес, суда есу кезінде тарту күшін жасауға қайта құрылды;
• қанаттағы қауырсындар қысқа, қатты және тығыз орналасқан болды — олар аэродинамикалық профильдің орнына тегіс гидродинамикалық бетті қалыптастырады;
• қанат ауданы мен дене массасының арақатынасы соншалықты төмендеді, ұшу үшін қажетті көтергіш күш физикалық тұрғыдан жеткіліксіз болды.

Дәл осы өзгерістердің жиынтығы ұшуға қайта оралуды тіпті теориялық тұрғыдан мүмкін емес етті. Қазіргі пингвин — бұл «бұзылған» ұшатын құс емес, су астында аң аулауға мінсіз бейімделген жыртқыш, ол судағы жетілдірілуі үшін аспанға көтерілу қабілетінен бас тартты.

Эволюциялық тарих — пингвиндер қашан ұшуды тоқтатты

Қазіргі пингвиндердің арғы тегі ұша алатын — бұл палеонтологиямен дәлелденген факт. Ұшатын құстардан қазіргі суасты аңшыларына көшу миллиондаған жылдарға созылып, бай қазба деректерінде көрініс тапты.

Молекулалық зерттеулер пингвиндердің өздерінің ең жақын ұшатын туыстарынан — дауыл құстары мен альбатростардан — шамамен 60–65 миллион жыл бұрын, динозаврлар жойылғаннан кейін көп ұзамай бөлініп шыққанын көрсетеді. Жаңа Зеландия мен Антарктидадан табылған ең көне пингвин қазбалары шамамен 60–62 миллион жыл бұрынғы кезеңге жатады және оларда ұшу қабілетінің жоғалу белгілері байқалады.

Ұшатын ата-тектен қазіргі пингвинге дейінгі жол бірнеше негізгі кезеңдер арқылы өтті.

1. Алғашында пингвиндердің ата-бабалары қазіргі олушаларға ұқсас, су бетіне жақын аң аулайтын теңіз құстары болған. Олар ауада ұшып, судың үстінен сүңги алатын, бірақ біртіндеп азық іздеу үшін су астында көбірек уақыт өткізе бастады. Табиғи сұрыпталу қысымы біртіндеп ұшу қасиеттерінен жүзу қасиеттеріне қарай ауысты.
2. Аралық кезең — ұшу мен жүзудің ымырасы — екі жағынан да тиімсіз болды. Бір мезгілде ұшып та, жүзе де алатын құс екі жағдайда да арнайы бейімделген түрлерден әлсіз болды. Дәл осы кезеңде су ортасына маманданудың артықшылықтары ауада қозғалу қабілетін жоғалтудың кемшіліктерінен басым бола бастады.
3. Қазба деректеріне қарағанда, ұшу қабілетінің жоғалуы эволюциялық тұрғыдан салыстырмалы түрде тез өтті. Ең көне белгілі пингвиндердің өзінде-ақ жүзуге тән сүйек құрылымы байқалады. Бұл Антарктидада құрлықтағы жыртқыштардың болмауымен байланысты болуы мүмкін — жоғарыдан қауіп болмағандықтан, құтқарушы ұшу қажеттілігі жойылып, табиғи сұрыпталу оны қолдауды тоқтатты.
4. Қазба деректерінде кездесетін алып пингвиндер — кейбір түрлері адамның бойындай болып, 100 килограмнан асқан — 37–55 миллион жыл бұрын өмір сүрген және қазіргі түрлерден әлдеқайда ірі болған. Мұндай дене өлшемі ұшуды толықтай жоққа шығарды, бірақ оларды су астында өте тиімді жыртқышқа айналдырды. Бұл ежелгі алыптар топ эволюциясының қай бағытта жүргенін айқын көрсетеді.

Пингвиндердің палеонтологиялық шежіресі құстар арасында ең толықтарының бірі болып саналады, бұл ғалымдарға олардың эволюциясын жоғары дәлдікпен қалпына келтіруге мүмкіндік береді.

Ұшу физикасы — неге бұл анатомиялық тұрғыдан мүмкін емес

Эволюциялық тарихтан бөлек, қазіргі пингвиннің неге ұша алмайтынының таза физикалық түсіндірмесі де бар — тіпті ол кенеттен «ұшқысы келсе» де.

Ұшу үшін құстың қанаты оның денесіне әсер ететін ауырлық күшінен артық көтергіш күш тудыруы қажет. Бұл талап «қанат жүктемесі» деп аталатын көрсеткіш арқылы сипатталады — дене массасының көтергіш бет ауданына қатынасы.

Пингвиннің денесі ұшу талаптарына бірнеше себеп бойынша сәйкес келмейді:

• тығыз сүйектер — суға бату мен тұрақтылық үшін қажет — қуыс сүйектері бар ұшатын құстарға қарағанда қаңқаны әлдеқайда ауыр етеді;
• тері астындағы қалың май қабаты — мұздай суда жылуды сақтау үшін маңызды — дене массасын айтарлықтай арттырады;
• қысқа әрі қатты «қанаттардың» бет ауданы ауыр денені жерден көтеру үшін жеткілікті көтергіш күш тудыруға тым аз;
• кеуде бұлшықеттері ауадағы қозғалысқа емес, судағы есу қозғалысына бейімделген, мұнда ортаның кедергісі әлдеқайда жоғары.

Есептеулер көрсеткендей, қажетті көтергіш күшті алу үшін пингвин не қанаттарын шектен тыс үлкейтуі, не дене массасын қатты азайтуы керек болар еді, бұл оның суық суда ұзақ өмір сүруін мүмкін емес етеді. Басқаша айтқанда, пингвин физикалық тұрғыдан ұша алмайды — оның денесі ауада ұшуға қажетті талаптарға сәйкес келмейді.

Жүзу — ұшудың баламасы

Пингвиндер «ұшуды ұмытты» деу толық дәл емес — олар басқа ортада «ұшуды» үйренді. Олардың су астындағы қозғалысы ауада ұшатын құстың қозғалысына таңғаларлық дәрежеде ұқсайды, және бұл ұқсастық кездейсоқ емес.

Суда пингвиндер ауада ұшатын құстар қолданатын негізгі тарту күшін жасау механизмдерін пайдаланады. Қанаттары тығыз су ортасында қозғалып, көтергіш және алға тартушы күш тудырады. Сондықтан биомеханикада пингвиндердің қозғалысы жиі «су астындағы ұшу» деп сипатталады.

Пингвиндердің судағы жылдамдығы мен маневрлік қабілеті әсерлі:

• император пингвині сағатына 36 километрге дейін жылдамдыққа жете алады — көптеген ұшатын құстар ауада бұдан баяу қозғалады;
• сол түрдің сүңгу тереңдігі 500 метрден асады — бұл барлық құстар арасындағы рекорд;
• бір рет сүңгу ұзақтығы 22 минутқа дейін созылуы мүмкін, су бетіне шықпай;
• жоғары маневрлік қабілет пингвиндерге балықтарды тығыз топ ішінде қуып, бағытын күрт өзгертуге мүмкіндік береді.

Бұл көрсеткіштерді ұшатын құстардың мүмкіндіктерімен салыстыру эволюциялық «айырбастың» өте тиімді болғанын көрсетеді. Пингвин өз тіршілік ортасында көптеген ұшатын түрлерден де артық бейімделген тіршілік иесіне айналды — тек оның «аспанын» су астынан табуға болады. Бір «ұшуды» жоғалту басқа ортадағы шеберлікпен толықтырылды, және бұл айырбас антарктикалық суларда өмір сүру үшін әлдеқайда маңызды болды.

Жыртқыштардың болмауы және ұшпайтындықтың эволюциясы

Пингвиндердің ұшу қабілетін жоғалтуына мүмкіндік берген ең маңызды шарттардың бірі — бұл құстар тобы қалыптасқан аймақтарда құрлықтағы жыртқыштардың болмауы болды.

Көптеген ұшпайтын құстарға тән ортақ заңдылық бар — олар оқшауланған аралдарда немесе құрлықтағы жыртқыштар миллиондаған жылдар бойы болмаған аймақтарда эволюцияланған. Антарктида мен субантарктикалық аралдар осы сипаттамаға толық сәйкес келеді. Құрлықтан шабуыл қаупі болмаған жағдайда ұшу өзінің басты артықшылығын — әуеде қашып құтылу мүмкіндігін — жоғалтады.

Сонымен қатар антарктикалық жағдайда ұшудың жоғалуы айтарлықтай зиян келтірмеді:

• азық — балық, криль және кальмарлар — ауада емес, суда орналасқан, сондықтан ұшудың қажеті жоқ;
• пингвиндердің негізгі жаулары — теңіз қабыландары мен косаткалар — суда шабуыл жасайды;
• ұя салу құрлықта немесе мұзда жүзеге асады, оған ұшып бару талап етілмейді;
• көшу су арқылы немесе жаяу жүзеге асады, ауадағы миграцияларсыз.

Осы факторлардың барлығының үйлесуі ұшу қабілетінің тез жоғалуына тамаша жағдай жасады — антарктикалық ортада ұшу ешқандай артықшылық бермеді, ал жүзу керісінше аса маңызды болды.

Пингвиндердің тарихы эволюцияның нақты экологиялық жағдайларға қалай жауап беретінінің ең айқын мысалдарының бірі болып табылады. Ұшу қабілеті — абсолютті құндылық емес, тіршілік ету құралы ғана, және егер бұл құрал басқа, тиімдірек бейімделумен бәсекеде ұтылса, ол міндетті түрде ығыстырылады. Ұшпайтын құстарды зерттеу ғалымдарға эволюциялық өзгерістердің жалпы заңдылықтарын тереңірек түсінуге мүмкіндік береді — бір ғана органның табиғи сұрыпталу қысымы әсерінен салыстырмалы түрде қысқа геологиялық уақыт ішінде өз функциясын түбегейлі өзгерте алатынын көрсетеді.