Как перья помогают птицам летать и эволюционировать
Новое исследование международной команды учёных под руководством специалистов из Университета Южной Калифорнии (USC) раскрывает, как устроены и развивались перья, позволив птицам распространиться по всему миру. Маховые перья — это шедевры пропульсии и адаптации, помогающие пингвинам плавать, орлам парить, а колибри зависать в воздухе.
Несмотря на разнообразие, все перья имеют общую базовую конструкцию — универсальную модель с дополнительными «опциями» для специализированных задач. Эта природная простота и гибкость перспективны для инженеров, создающих дроны, ветряные турбины, медицинские имплантаты и другие передовые материалы.
Исследование, опубликованное в журнале Cell, основано на сравнительном анализе физической структуры, клеточного состава и эволюции перьев 21 вида птиц со всего мира, включая страуса, воробья, орла, кур, уток, ласточку, сову, пингвина, павлина, цаплю и колибри.
Ключевые особенности маховых пера
Учёные сосредоточились на двух основных частях:
- Ствол (рахис): выполняет роль мачты, несущей нагрузку между ветром и крылом.
- Опахало: боковые ответвления от ствола, придающие перу форму для отталкивания от воздуха.
У летающих птиц (уток, орлов, воробьёв) ствол пера имеет тонкую и лёгкую внешнюю кору (кортекс), а внутренняя часть заполнена пористыми ячейками, похожими на пузырчатую плёнку. Эти ячейки выровнены в полосы различной ориентации и усилены гребнями, работающими как микроскопические балки. Вся конструкция получается лёгкой, полой и плавучей.
У нелетающих птиц перья проще: плотная внешняя кора более жёсткая и прочная, с меньшим количеством внутренних распорок. Особенно это выражено у пингвинов, использующих крылья как весла под водой.
Молекулярные механизмы роста
Исследователи обнаружили два разных молекулярных механизма, управляющих ростом пера:
- Толщина коры контролируется костными морфогенетическими белками (BMP).
- Формирование пористой внутренней части (мозгового вещества) зависит от другого механизма — трансформирующего фактора роста бета (TGF-β).
Оба компонента происходят из стволовых клеток кожи птицы.
Эволюция от динозавров к птицам
Анализ перьев возрастом почти 100 миллионов лет, найденных в янтаре в Мьянме, показал, что у ранних перьев не было крючочков — микроскопических структур, которые, как застёжки-липучки, превращают пушистое перо в плотную плоскость, пригодную для высокоэффективного полёта. Учёные выявили, что за формирование крючочков отвечает фактор роста WNT2B.
Таким образом, оперённые динозавры и ранние птицы могли формировать примитивное опахало, накладывая пластинки бородок, но оно не было аэродинамически приспособлено для больших нагрузок. По мере усложнения конструкции крыла и увеличения его веса, стволы перьев становились прочнее и легче, что привело к появлению жёстких перьев и прочных крыльев, способных переносить птиц по всему миру.
Выводы и перспективы
Исследование показывает, что эволюционные изменения ствола и опахала пера сбалансированы для достижения наилучших лётных характеристик конкретной птицы и становятся частью основы видообразования. Принципы функциональной архитектуры, изученные в работе, могут вдохновить на создание биомиметических композитных материалов для конструкций различного масштаба: от ветряных турбин и искусственных тканей до летающих дронов.