Зачем мы бежим, или Как догнать свою антилопу. Новый взгляд на эволюцию человека

Каким образом замечательные способности птиц достались им от предков – наземных динозавров? Когда предки птиц впервые взлетели, им нужно было сделать непростой выбор в пользу снижения веса. Кости стали легче, отчасти из-за того, что они стали полыми. Дальнейшее снижение веса, вероятно, было достигнуто за счет изменений в рационе. Чтобы извлечь скудные энергетические ресурсы из вездесущей листвы, травоядным требуется толстый желудок и длинный кишечник. Ни один лайнер не может летать на растительном волокне в качестве источника питания; ему требуется высокоочищенное реактивное топливо с высоким соотношением энергии к весу, которое можно легко и быстро сжечь. Чтобы сохранить весьма энергозатратную способность летать, предки птиц должны были избирательно подходить к питанию, предпочитая листве фруктовые белки и белки насекомых. Высокооктановый рацион из насекомых и фруктов позволил уменьшить огромный объем и вес кишечника, а также зубов и тяжелых челюстных костей, на которых крепятся зубы. Избирательность в рационе питания в конечном счете позволила им стать еще более придирчивыми, потому что это помогало им летать дольше. Я подозреваю, что такой автокаталитический цикл мог спровоцировать настоящий эволюционный взрыв, благодаря которому эти животные стали одной из самых разнообразных, многочисленных и удивительных форм жизни на Земле.

Даже сейчас изменения в рационе питания некоторых птиц и всеядных животных вроде нас влияют на массу кишечника. Простое употребление большего количества белка приводит к физиологической реакции – уменьшению длины и массы кишечника. Хотя изменение рациона питания с низкокалорийных на высококалорийные продукты само по себе увеличило бы соотношение мощность/масса для облегчения дальних полетов, реальный прорыв в выносливости сверхдальних полетов у птиц мог произойти позже как вторичное следствие того, что кишечник стал занимать меньше места внутри тела.

Уменьшение пищеварительного аппарата освобождает место для других вещей. Свободное пространство заполняется другими органами либо остается пустым для поддержания легкости тела. Птицы пошли по второму пути, и, как ни парадоксально, это стало частью большого скачка развития, позволившего им летать быстро даже на больших высотах в условиях нехватки кислорода.

Дышащие воздухом рыбы, рептилии и млекопитающие обременены не очень-то эффективной системой вдоха и выдоха. Мы вдыхаем в мешкообразное легкое, поднимая ребра и опуская диафрагму, чтобы создать отрицательное давление в легком. Затем мы выталкиваем воздух обратно, прежде чем сделать еще один вдох. Совсем опорожнить легкие практически невозможно, так как мы не можем полностью выгнуть грудь. Внутри всегда остается немного остаточного воздуха, почти лишенного кислорода. Когда мы вдыхаем, мы смешиваем новый свежий воздух, насыщенный кислородом, с этим обедненным остаточным. У птиц все по-другому.

Где-то когда-то у предшественников птиц появилось большое новшество. Их дополнительные воздушные пространства в теле были соединены с легкими. Это соединение сделало возможным прохождение воздуха через легкие. С помощью особых воздушных мешков в полости тела птицы теперь направляют воздух через относительно жесткие легкие и делают это как во время вдыхания, так и во время выдоха.

На первый взгляд может показаться, что, если воздух проходит насквозь через легкие, а не туда-обратно, птицы не могут выдохнуть. Тем не менее они выдыхают! Фокус в том, что они используют два вдоха, чтобы переместить заданную массу воздуха внутрь и затем наружу, при этом две отдельные струи воздуха одновременно проходят через дыхательную систему. Легкие соединяются с расположенными спереди и сзади воздушными мешками. Воздух проходит через легкие как при вдохе, так и при выдохе. Когда задние воздушные мешки наполняются свежим воздухом, использованный, застоявшийся воздух от предыдущего вдоха проходит из легких в передние воздушные мешки. При выдохе воздух выходит из передних воздушных мешков наружу, а свежий воздух (от предыдущего вдоха в задние воздушные мешки) поступает в легкие.

Эти инновации в области дыхания заложили основу для дальнейшей поэтапной модификации организма птиц практически во всех аспектах их морфологии, физиологии и поведения. Это сделало их самыми впечатляющими сверхвыносливыми машинами из всех, что когда-либо видел мир.

Непревзойденная аэробная и дыхательная способность птиц позволяет им тратить значительные средства на обмен веществ при полете даже в разреженной атмосфере над Эверестом, где люди едва могут ползти, так как наш VO₂max едва превышает уровень покоя.