Как яйца приобрели свою форму: адаптации к полёту могли определять разнообразие форм яиц у птиц

Эволюция амниотического яйца с оболочкой и скорлупой позволила позвоночным покинуть океаны и колонизировать сушу и воздух. Сейчас, 360 миллионов лет спустя, птичьи яйца имеют всевозможные формы и размеры — от почти идеально сферических яиц иглоногих сов до каплевидных яиц песочников. Вопрос в том, как и почему развилось это разнообразие форм?

Ответ может помочь объяснить эволюцию птиц и решить старую загадку естественной истории.

Международная команда учёных из Гарварда, Принстона, Великобритании, Израиля и Сингапура применила количественный подход. Используя методы из математики, физики и биологии, они охарактеризовали форму яиц около 1400 видов птиц и создали модель, объясняющую, как мембрана яйца определяет его форму. В эволюционном контексте исследователи обнаружили, что форма яйца коррелирует со способностью к полёту, что позволяет предположить: адаптации к полёту могли быть ключевым драйвером вариаций формы яиц у птиц.

Исследование опубликовано в Science.

Учёные подошли к вопросу с трёх сторон: как количественно описать форму яиц для сравнения видов, какие биомеханизмы её определяют и каковы эволюционно-экологические последствия. Они показали, что формы яиц плавно варьируются между видами, определяются свойствами мембраны, а не скорлупы, и что существует сильная корреляция между эллиптическими и асимметричными яйцами и высокой способностью к полёту.

Исследователи построили график формы (определяемой асимметрией от полюса к полюсу и эллиптичностью) около 50 000 яиц, представляющих 14% видов из 35 отрядов. Формы варьировались от почти сферических до конических, образуя континуум с большим перекрытием между видами.

Как формируется этот спектр форм?

Мембрана играет ключевую роль — если растворить скорлупу в мягкой кислоте, яйцо сохраняет форму. Учёные сравнили её с воздушным шаром: если мембрана однородна, яйцо будет сферическим, но изменение толщины и свойств материала позволяет получать различные формы.

Математическая модель, рассматривающая яйцо как растущую упругую оболочку под давлением, показала, что вариации формы возникают из-за разницы в толщине и свойствах мембраны, а также соотношения дифференциального давления к её растяжимости.

Как форма связана с функцией?

Учёные искали корреляции между формой яйца и признаками птиц: типом и расположением гнезда, размером кладки, диетой и способностью к полёту.

Было обнаружено, что полёт может влиять на форму яиц. Чтобы сохранить обтекаемое тело для полёта, птицы, по-видимому, откладывают более асимметричные или эллиптические яйца. Такая форма позволяет максимизировать объём яйца, не увеличивая его ширину, что является преимуществом в узких яйцеводах.

Таким образом, альбатрос и колибри, будучи очень разными птицами, могли развить схожую форму яиц из-за того, что оба являются мощными летунами.

Исследование ясно показывает, что вариации в размере и форме птичьих яиц не случайны, а связаны с экологией, включая количество кальция в диете и, в особенности, со степенью приспособленности вида к мощному полёту.

В дальнейшем учёные надеются в реальном времени наблюдать процесс откладывания яиц, чтобы сравнить его с моделью и усовершенствовать её.