Ученые объяснили форму птичьих яиц
После тысячелетних споров ученые сумели объяснить, с чем связана узнаваемая форма птичьих яиц – с их способностью летать.
Форма птичьего яйца знакома и понятна людям из любой части мира – округлая, заостренная с одного конца и тупая с другого, она давно интригует естествоиспытателей. Объяснить такую форму пытался еще Аристотель, а Джонатан Свифт построил вокруг нее целый межгосударственный конфликт среди лилипутов. Современным детям часто говорят, что такая форма не позволяет яйцу укатиться слишком далеко от гнезда.
Надо сказать, что при соблюдении одинаковых общих принципов у разных видов птиц форма яиц может заметно отличаться, от почти круглых у сов до сильно вытянутых у колибри. Объяснить разом и сходства, и различия этих форм удалось команде принстонского биолога Мэри Стоддард (Mary Stoddard). Их статью публикует журнал Science.
Авторы воспользовались роскошной коллекцией птичьих яиц и гнезд, хранящейся в Музее зоологии позвоночных в Беркли. Оцифрованные снимки яиц более чем 1400 видов птиц выложены в Интернет, и Мэри Стоддард с коллегами оставалось лишь написать программу, которая распознает их на фотографиях и быстро определяет точную длину, ширину и форму.
Программа Eggxtractor проделала это автоматически для почти 50 тыс. яиц из онлайн-коллекции музея и рассчитала «вытянутость» каждого – коэффициент эллиптичности, показывающий, насколько далеко оно от идеальной сферической формы. Авторы получили нечто вроде «карты», на которой яйца птиц разных видов распределены в зависимости от величины этого коэффициента, а также от степени заостренности – разницы между тупым и острым концом.
Ученым долго не удавалось определить другие признаки, характерные для птиц, несущих яйца той или иной формы. Она слабо коррелировала и с типом гнезда, и с численностью потомства, как предполагали некоторые гипотезы. Однако в конце концов такой признак нашелся: форма крыла, которая связана с необходимостью в активном полете. Виды, чаще и дальше летающие, несут более вытянутые и остроконечные яйца. Те, кто летает лишь изредка, несут округлые.
Ученые предполагают, что такая форма позволяет активно летающим птицам лучше поддерживать аэродинамику полета и сохранять подходящую для этого форму тела. Более широкая и округлая форма требует более широкого тазового пояса для родов (при сохранении того же объема яйца), что могло бы не лучшим образом сказаться на летательных способностях птицы. И общий план птичьего яйца, и вариации его формы связаны не с гнездом и не с местом гнездования, а с полетом и с законами аэродинамики.
Задается эта форма не скорлупой, а лежащей под ней мембраной, точнее говоря, ее толщиной и натяжением на разных участках формирующегося яйца. Чтобы продемонстрировать это, Мэри Стоддард и ее коллеги создали компьютерную модель, в которой, варьируя эти параметры, смогли получить «птичьи яйца» всех природных форм, от круглых до остроконечных.
Источник
От чего зависит форма яиц
Геометрия птичьих яиц зависит от того, где их откладывают и высиживают.
Свои более овальные яйца гагарки откладывают подальше от края, стараясь выбрать углубление или расщелину в скале, где яйцо можно прочно уложить. (Фото: John R Chandler / Flickr.com)
Птичьи яйца довольно сильно отличаются по форме: например, у куликов яйца с одного конца довольно сильно сужаются, так что становятся похожи на грушу, у сов яйца шарообразные и напоминают теннисные мячи, а у колибри они в форме фасолины. Функция у всех яиц одна – защищать и питать птенца во время его эмбрионального развития; значит, разнообразие форм зависит не от «внутренностей» яиц, а от какой-то внешней причины.
Год назад мы писали про статью в журнале Science, в которой говорилось, что форма яиц зависит от того, любит ли птица летать. Авторы статьи пришли к выводу, что у тех, кто летает хорошо и много времени проводит в воздухе (вроде альбатросов и колибри), яйца вытянутые и асимметричные; если же птицы поднимаются в воздух неохотно, много времени проводят на земле или перелетая на небольшие расстояния с куста на куст и с дерева на дерево (как, например, африканские питты и трогоны), то их яйца будут более округлыми.
Чтобы спокойно отложить округлое яйцо, нужен широкий яйцевод и широкий таз, но если мы хотим быстро летать и маневрировать в полете, тело должно быть легким и вытянутым, и широкий таз тут совсем не к месту. То есть разнообразные комбинации вытянутости и остроконечности – это все результаты попыток соединить необходимость узкого яйцевода с необходимостью снабдить яйцо достаточным объемом питательных веществ.
Однако такое объяснение подходит лишь частично: по словам Тима Биркхеда (Tim R. Birkhead) из Университета Шеффилда, различия в манере полета соответствуют лишь 4% различий в форме яиц. Эти 4% вполне достоверны – авторы работы в Science изучили огромную массу материала (50 тыс. яиц от 1400 видов птиц), но что делать с остальными 96% различий? И хотя в той статье утверждалось, что нет никакой связи между формой яиц и типом гнезда, или выбором места для гнездования, или количеством яиц в кладке, Биркхед и его коллеги полагают, что эти факторы – надо сказать довольно очевидные – на форму яиц все же влияют.
Для сравнения исследователи взяли яйцо кайры и яйцо гагарки. У кайр яйца сильно вытянутые и эллиптические, и притом асимметричные – сами птицы гнездятся на узких каменистых выступах многонаселенными колониями, так что можно предположить, что такая форма яиц помогает сохранить их в целости и сохранности: они никуда со скалы не скатятся, даже если их кто-нибудь толкнет. У гагарок форма яиц похожа, но они у них не так сильно сужаются и больше напоминают правильный эллипс. Гагарки откладывают их не так, как кайры: они тщательнее выбирают место для кладки, и гагарочьи яйца лежат обычно либо в скальном углублении, либо окружены небольшими камнями.
В статье в журнале The Auk говорится, что у яиц кайр больше шансов уцелеть, если они начнут скатываться по какому-нибудь ступенчатому уклону. И эксперименты на настоящих скалах, и опыты в лаборатории показали, что гагарочьи яйца, которые не так сильно сужаются к концу, быстрее скатываются с наклонной уступчатой поверхности; напротив, яйца кайр дольше разгоняются и вообще склонны замедлятся в таком опасном движении вниз. Иными словами, если толкнуть яйцо гагарки, оно сразу начнет катиться, тогда как яйцо кайры прямо так сразу никуда не покатится; из-за своей вытянутой асимметричной формы оно плотнее контактирует с поверхностью, на которой лежит. Так что кайры могут, не особо беспокоясь, откладывать свои яйца на самом краю скал безо всяких дополнительных предосторожностей.
В другой статье, опубликованной в журнале Ibis, Биркхед с коллегами пишут о том же – о взаимосвязи формы яиц и места высиживания. В этой работе сравнивали тридцать видов птиц, которые живут в похожих условиях, но не приходятся друг другу близкими родственниками, от кайр до пингвинов. В итоге оказалось, что геометрические различия в яйцах на две трети зависят от того, где именно их откладывают и насиживают.
Наконец, не так давно Journal of Experimental Biology опубликовал статью исследователей из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Городского университета Нью-Йорка, которые проанализировали форму нескольких сотен яиц от 11 видов птиц. Авторы работы создали модель, которая предсказывала, как будет скатываться яйцо той или иной формы по наклонной плоскости. В соответствии с моделью несколько искусственных яиц (с силиконовым наполнением внутри) напечатали на 3D-принтере – и эти искусственные яйца катились так, как предсказывала модель: асимметричные заостренные и вытянутые яйца на ступенчатом скате начинали описывать круги и останавливались.
Собственно, то, что вытянутые асимметричные яйца будут вести себя именно так, можно догадаться интуитивно. Удивительно же то, что в той прошлогодней статье в Science «фактор гнезда» назвали несущественным по сравнению с «фактором полета». Однако в том случае анализировали огромное число видов с самой разной экологией, от морских птиц до сов, от куликов до колибри.
Вероятно, при таком широком сравнении на первое место действительно выходит «фактор полета». Но если сравнивать птиц, схожих по образу жизни, которые гнездятся примерно в одинаковых местах (как живущие на скалах кайры и гагары), то тут форма яиц будет зависеть уже от других, более очевидных вещей.
Автор: Кирилл Стасевич
Источник
Разгадка формы птичьего яйца
Когда-то позвоночные смогли выйти на сушу потому, что «научились» откладывать яйца, «конструкция» которых позволяла зародышу развиваться вне водной среды. Такое яйцо несет внутри себя все необходимое для его развития. Те предковые виды давно вымерли, появились и широко распространились живородящие млекопитающие, но и теперь, спустя миллионы лет, на Земле живут виды, которые откладывают яйца: это рептилии и птицы. Птичьи яйца отличаются большим разнообразием размера и формы: от почти круглых до вытянутых или грушевидных. Ученых давно занимал вопрос: почему существует такое разнообразие форм птичьих яиц и от чего оно зависит.
Международная группа ученых работала с изображениями коллекции калифорнийского Музея зоологии позвоночных (США), насчитывающей около 50 тыс. экземпляров скорлупы яиц примерно 1400 видов птиц. Чтобы ответить на вопрос о том, какая составляющая яйца при его развитии отвечает за его форму, а также найти связь формы яйца и каких-либо особенностей, присущих виду, они создали компьютерную программу Eggxtractor, с помощью которой охарактеризовали форму разных яиц и разработали математическую модель, позволившую объяснить, что ее определяет.
После оплодотворения яйцо, продвигаясь по половому тракту птицы, «одевается» в несколько оболочек. Сначала идет белковая оболочка; вещество белка выделяется специальными железами птицы. Затем образуется так называемая подскорлуповая оболочка, после чего яйцо вбирает в себя необходимую для развития зародыша воду, пока яйцо не достигнет своих размеров. Оболочка при этом натягивается, и именно на этом этапе определяется форма яйца. Скорлупа образуется на заключительном этапе и на форму уже не влияет.
Руководствуясь наблюдениями, что толщина оболочки яйца неодинакова в разных его частях, ученые рассчитали, как в зависимости от толщины оболочки и давления содержимого яйца изнутри возможно формирование всего спектра форм птичьего яйца, наблюдаемого в природе. Ученые проводят аналогию с воздушным шариком: если его материал равномерно толст, шарик при надувании станет круглым, но если он где-то тоньше, а где-то толще, можно получить «шарики» разной формы.
Далее исследователи искали корреляции между формой яйца и разными особенностями видов, включая тип и местоположение гнезда, количество яиц в кладке и способность к полету. Выяснилось, что птицы, которые хорошо летают, откладывают более вытянутые и асимметричные яйца, а у нелетающих птиц, или у тех, кто летает мало и плохо, яйца более округлой формы.
Для полета, для улучшения аэродинамических характеристик птице нужна «приплюснутая», обтекаемая форма тела; у таких птиц более узкий таз, и, соответственно, более узкие половые пути. Чтобы сохранить нужный объем яйца без увеличения его ширины, природа сделала так, что яйца этих птиц удлиненные.
А еще теперь легко оценить, насколько та или иная птица хорошо летает: достаточно посмотреть на форму ее яиц.
Подготовила Мария Перепечаева
Источник