Страусы прощаются с небом

Кто не знает африканского страуса, крупнейшую из современных птиц, или его австралийского родственника эму? Их предок умел летать, а они разучились: крылья у них слишком маленькие, чтобы поднять массивное тело. Современные систематики установили, что способность летать эму и страусы утратили независимо друг от друга. Однако расчеты молекулярных генетиков не могли объяснить механизм этого процесса. Синтия Фокс (Cynthia Faux), клинический ассистент Колледжа ветеринарной медицины Университета штата Вашингтон, и доктор Даниэль Филд (Daniel J. Field) из Батского университета (Великобритания) доказали, что, несмотря на внешнее сходство эму и страусов, механизм утраты способности летать у них разный [1].

Последние исследования геномов птиц привели к пересмотру филогении (истории развития организмов) современных птиц (Neornithes). Сейчас их подразделяют на две группы: бескилевые Palaeognathae и имеющие киль Neognathae (новонёбные). В свою очередь, группа Palaeognathae включает отряд летающих тинамуобразных (Tinamiformes) и четыре современных отряда бескилевых нелетающих птиц Ratitae: казуарообразных (Casuariiformes), кивиобразных (Apterygiformes), нандуобразных (Rheiformes), страусообразных (Struthioniformes), причем страусов выделяют в отдельную ветвь.

К Ratitae принадлежали и вымершие нелетающие новозеландские моа и мадагаскарские эпиорнисы. Бескилевые птицы находятся друг с другом в сложных родственных отношениях (рис. 1). По данным геномной эволюции, общий предок всех палеогнат имел относительно небольшое тело и умел летать. Тинаму эту способность сохранили, а ратиты утратили, причем происходило это неоднократно.

Строение скелета и поведение эму и страусов похожи, поэтому естественно предположить, что механизм утраты полета в обоих случаях был один и тот же. Чтобы выяснить, так ли это на самом деле, Синтия Фокс и Даниэль Филд исследовали скорость роста тела и крыльев у 34 эмбрионов африканского страуса Struthio camelus и эму Dromaius novaehollandiae (яйца они взяли на страусиной ферме), 25 эмбрионов домашних кур Gallus gallus породы белый леггорн и 8 эмбрионов хохлатого тинаму Eudromia elegans — их предоставили сотрудники зоопарка в городе Эль-Пасо (Техас). Куры относятся к новонёбным птицам, киль у них есть, но летают они плохо. Хохлатые тинаму по размерам и летным качествам сопоставимы с курами.

Тела эмбрионов росли с разной скоростью. У страуса она была наибольшей; эмбрион эму растет быстрее цыпленка, но медленнее, чем тинаму и страус. Однако эму дольше развивается, и потому птенец эму размерами превосходит цыпленка или птенца тинаму. Крупнее его только птенец страуса, который растет в яйце не только долго, но и быстро.

Как и корпус, крылья у летающих птиц — кур и тинаму — растут примерно с одинаковой скоростью (рис. 2). Страус от них практически не отстает, а у эму скорость роста крыльев существенно ниже. Если принять скорость роста крыла эмбриона курицы за единицу, у страуса этот показатель будет на 9% выше, у тинаму — на 34% выше, а у эму — на 64% ниже (рис. 2). Абсолютный размер крыльев птенцов эму примерно такой же, как у птенцов тинаму и цыплят, но исключительно за счет долгого срока инкубации. Способность летать зависит не от абсолютной длины крыльев, а от их размеров относительно размеров туловища. Соотношение параметров туловища и крыльев у птенца тинаму примерно такое же, как у цыпленка (рис. 3). У эму туловище крупное, а крылья маленькие. Крылья африканского страуса, хотя и растут быстро, отстают от роста туловища и не могут его поднять.

Некрупный предок эму и страусов летал плохо. В этом случае нужно обезопасить свое существование на земле, и один из возможных путей — увеличить размеры тела. Кроме того, крупные птицы дольше живут и легче переносят голод.

Эмбрионы эму растут очень медленно. Исследователи предположили, что у мелкого предка эму и казуаров крылья почти перестали развиваться, благодаря чему его потомки смогли увеличить размер туловища. Отказ от поздних стадий развития некоторых частей организма (в данном случае крыльев) называется педоморфозом.

Аналогичным образом от полетов отказались и галапагосский нелетающий баклан Phalacrocorax harrisi, и вымерший стефенский кустарниковый крапивник Traversia lyalli .Эти птицы крупнее своих сородичей, а крылья у них небольшие относительно туловища. Педоморфоз, предположительно, породил нелетающих дронтов, ныне вымерших: маврикийского Raphus cucullatus и дронта-отшельника Pezophaps solitaria, а также современный род уток-пароходов Tachyeres spp.

У африканских страусов ситуация иная. Они продлили время роста туловища и крыльев, не снижая скорости процесса, даже ее увеличив; а это признаки другого механизма развития, пераморфоза — добавления новых стадий развития к уже имеющимся. Страусы от крыльев не отказывались, подниматься в воздух им помешало слишком крупное туловище. Современные страусы используют свои крылья для демонстрации во время брачного сезона.

Если бы способность летать утратил общий предок эму и страусов, их передние конечности развивались бы одинаково. Поскольку этого не происходит, они разучились летать независимо друг от друга.

Ученые доказали, что «нелетучесть» страусов и эму имеет разную природу, а внешнее сходство вызвано похожим образом жизни. Эти исследования важны для понимания конвергентной эволюции, однако работа в этом направлении еще не закончена. Синтия Фокс и Даниэль Филд хотели бы изучить эмбриональное развитие других видов бескилевых птиц, как современных, так и вымерших, и надеются, что у них будет возможность продолжить исследования.

Наталья Резник

1. Faux C., Field D. J. Distinct developmental pathways underlie independent losses of flight in ratites // Biol. Lett. 2017. 13: 20170234.

2. Baker A. J., Haddrath O., McPherson J. D., Cloutier A. Genomic support for a moa–tinamou clade and adaptive morphological convergence in flightless ratites // Mol. Biol. Evol. 2014. 31: 1686–1696.