Почему у птиц перья, а не чешуя?

Эволюционный путь от пластинки к сложному опахалу

История пера началась за десятки миллионов лет до появления первых птиц в воздухе. Во второй половине двадцатого века и особенно в начале двухтысячных годов палеонтологи обнаружили в китайской провинции Ляонин тысячи окаменелостей тероподных динозавров юрского и мелового периодов с отпечатками покровов. Выяснилось, что перьевой покров возник у небольших хищных динозавров группы целурозавров, куда входят знаменитые синозавроптерикс, микрораптор и велоцираптор.

Биологи Ричард Прам и Алан Браш описали модель эволюционного развития пера, которую позже подтвердили генетические исследования эмбриогенеза птиц. Развитие пера шло через последовательные морфологические стадии.

1. Формирование полой цилиндрической трубки из кожного бугорка плакоды под действием сигнальных белков Sonic Hedgehog (SHH) и морфогенетического белка кости 2 (BMP2)
2. Расщепление стенки цилиндра на продольные бороздки, сформировавшие пучок свободных нитей без общего стержня
3. Слияние центральных бородок в общий стержень рахис с боковыми ветвлениями первого порядка
4. Появление бородочек второго порядка с микроскопическими крючочками гамулями, сцепившими перьевые пластинки в плотное упругое полотно опахала
5. Формирование выраженной асимметрии опахала, необходимой для создания подъемной силы при активном махе крыла

Молекулярная разница кератинов

Кожа всех амниот производит защитные белки кератины. У млекопитающих эпидермис содержит альфа-кератины со спиральной структурой молекул, делающей покровы эластичными. Рептилии и птицы обладают дополнительным типом белка, бета-кератином, молекулы которого образуют плоские складчатые слои с высокой плотностью дисульфидных мостиков.

Генетический анализ показывает существенное отличие перьевого кератина птиц от рептилийного. Перьевой бета-кератин птиц имеет укороченную полипептидную цепь длиной около девяноста семи аминокислот. Отсутствие концевых аминокислотных повторов делает молекулярную сетку пера прочной, жесткой и экстремально легкой. Плотность птичьего пера составляет около 0,8 грамма на кубический сантиметр, сохраняя сопротивление на излом при динамических ветровых нагрузках.

Базовые задачи перьевого покрова

Первоначальным драйвером эволюции кожных придатков был терморегуляторный запрос быстро бегающих мелких динозавров. Птицы поддерживают постоянную температуру тела на уровне сорока одного градуса Цельсия. Плотный слой пуха и пуховых частей контурных перьев задерживает неподвижный воздух у поверхности тела, создавая теплоизолирующий экран, превосходящий по эффективности жировую прослойку сопоставимой массы.

С усложнением строения перья взяли на себя аэродинамическую функцию. Маховые перья крыла формируют несущий профиль, создающий подъемную силу при набегающем воздушном потоке. Рулевые перья хвоста работают аэродинамическим рулем и тормозным щитком при посадке. Кроющие перья придают телу птицы обтекаемую каплевидную форму, устраняя паразитные воздушные завихрения.

Окраска перьев решает задачи маскировки, полового отбора и внутривидовой коммуникации. Цвет пера формируется двумя механизмами.

• Пигментная окраска за счет меланинов, дающих черные, бурые и серые тона, а также поступающих с пищей каротиноидов, отвечающих за красные и желтые оттенки
• Структурная окраска, возникающая за счет оптической интерференции света на наноразмерных полостях с воздухом внутри кератиновой матрицы пера, что дает синий, изумрудный и радужный переливчатый цвет

Чешуя на лапах современных птиц

Птицы сохранили чешуйчатый покров. Ноги птиц в области цевки и фаланг пальцев покрыты подотекой, состоящей из щитков разного размера. Долгое время биологи считали птичью чешую прямым реликтом покровов древних ящеров.

Эксперименты эволюционной биологии развития двадцатого и двадцать первого веков изменили этот взгляд. Чешуя на лапах птиц является вторичным образованием. При подавлении сигнального пути бета-катенина или воздействии химическими агентами на ранний эмбрион птицы на лапах цыплят вместо щитков начинают развиваться полноценные перья. Это доказывает, что геном птицы содержит перьевую программу для всех участков тела, но развитие перьев на пальцах и цевке блокируется регуляторными генами.