Динозавры могли использовать перья на передних конечностях и хвосте, чтобы вспугивать и преследовать добычу

Происхождение крыльев и хвостов у птиц — один из ключевых вопросов эволюции животных. Долгое время принято считать, что их эволюция началась у оперенных динозавров.

У некоторых таких динозавров были перья на хвосте и небольшие крылоподобные перья на передних конечностях — «протокрылья». Они состояли из контурных (пеннацеозных) перьев — жестких перьев, из которых состоят крылья и хвосты современных птиц.

Древняя форма этих перьев впервые появилась у динозавров в юрский период. Эти динозавры, пеннарапторы, имели протокрылья из контурных перьев, но они были слишком малы для машущего полета. Поскольку мы не можем наблюдать их поведение напрямую, функции этих структур оставались неясными.

С момента, когда 50 лет назад Джон Харольд Остром впервые предположил, что протокрылья использовались небольшими хищными динозаврами, чтобы сбивать насекомых-жертв, рассматривались различные их функции. Однако вопрос о том, как именно протокрылья и оперенные хвосты помогали предкам птиц, оставался открытым.

Новая научная коллаборация, включающая полевых биологов, интегративных экологов (Пётр Г. Яблонски, Санг-им Ли, Джинсок Пак, Сан Юн Бан и Джунмун Ха), палеонтологов (Юн-Нам Ли и Минён Сон) и робототехников (Хёнпил Мун и Джонъёль Пак), предложила новую идею — «гипотезу вспугивания-преследования». Их статья опубликована в Scientific Reports.

Название гипотезы отражает её суть. Некоторые современные птицы используют стратегию кормодобывания «вспугивание-преследование»: они демонстрируют крылья и/или хвост, чтобы визуально вспугнуть прячущуюся добычу, а затем преследуют её. Гипотеза предполагает, что мелкие динозавры с протокрыльями использовали аналогичную стратегию.

Гипотеза основана на многолетних детальных полевых орнитологических исследованиях нескольких видов насекомоядных птиц, проведенных соавтором работы Петром Яблонски и его коллегами, а также Роном Мумме и его коллегами. Исследования показали, что демонстрация контрастного оперения (часто черно-белых пятен) на крыльях и хвосте провоцирует бегство добычи, что повышает эффективность кормодобывания птиц, поскольку вспугнутая добыча преследуется и ловится.

Также изучалась нейробиология этого взаимодействия. Петр Яблонски и Николас Штрауcфельд, ведущий эксперт по нервной системе членистоногих, предположили, что специальные нейроны насекомых активируются простыми свойствами демонстраций птиц, вспугивающих добычу.

«После многолетних полевых исследований птиц и изучения нейронов их добычи, я годами безуспешно пытался убедить финансирующие организации и скептически настроенных рецензентов в Польше, США и Корее поддержать исследования, оценивающие эту гипотезу применительно к ранним пеннарапторным динозаврам», — комментирует полевой орнитолог Петр Яблонски.

В конечном итоге, финансирование от Сеульского национального университета позволило начать совместное исследование. «Наконец, после множества отказов от редакций 11 журналов, каждый из которых отклонял стандартный процесс рецензирования нашей статьи, мы нашли журнал, который позволил провести рецензирование, что привело к публикации», — добавляет он.

В качестве представителя ранних пеннарапторов палеонтологи выбрали Caudipteryx. Команда робототехников под руководством Хёнпила Муна построила робота «Robopteryx», имитирующего морфологию Caudipteryx. Одновременно биологи провели всесторонний обзор разнообразия демонстраций крыльев и хвоста, используемых современными птицами для визуального вспугивания добычи.

Оснащенный девятью моторами, «Robopteryx» был запрограммирован имитировать движения передних конечностей и хвоста наземных птиц, вспугивающих добычу (например, калифорнийской кукушки-подорожника), в рамках анатомических ограничений, определенных по палеонтологической литературе.

Джинсок Пак (первый автор статьи, полевой орнитолог, изучающий диету и кормовое поведение птиц) с командой полевых биологов провел испытания с «Robopteryx», чтобы наблюдать поведенческие реакции диких саранчовых (отряд Orthoptera), которые, вероятно, сосуществовали с пеннарапторными динозаврами.

Результаты показали:

• Саранчовые спасались бегством чаще, когда на передних конечностях робота присутствовали протокрылья, по сравнению с демонстрациями без них.
• Они бежали чаще, когда протокрылья имели белые пятна, по сравнению с полностью черными.
• Они бежали чаще при наличии хвостовых перьев, особенно когда площадь этих перьев была большой.

Для понимания эволюции стратегии вспугивания-преследования также важны реакции простых нейронных цепей, отвечающих за побег у насекомых-жертв. Исследователи сравнили реакции нейронов саранчовых на гипотетические демонстрации динозавров.

«Я создал компьютерные анимации, имитирующие гипотетические демонстрации Caudipteryx, и предъявлял их саранчовым в лаборатории», — объясняет Джинсок Пак. Исследователи обнаружили, что реакции нейронов, в частности пиковая частота импульсов, были выше в ответ на анимации с протокрыльями, чем без них.

На основе результатов ученые утверждают, что добыча динозавров с большей вероятностью спасалась бы бегством, когда присутствовали протокрылья из перьев (особенно на концах передних конечностей и с контрастным рисунком), а также когда использовались хвостовые перья, особенно большой площади.

«Мы предполагаем, что использование оперения для вспугивания добычи могло увеличить частоту погонь за убегающей жертвой, тем самым усиливая важность протокрыльев и хвоста для маневрирования при успешном преследовании. Это могло привести к развитию более крупных и жестких перьев, поскольку они позволяли проводить более успешные погони и более выраженные визуальные демонстрации», — резюмирует Санг-им Ли, интегративный эколог в исследовательской группе.