§ 44. Условия возникновения мозга птиц

§ 44. Условия возникновения мозга птиц

Если обратиться к морфологии птиц, то условия их специализации станут довольно очевидны. Основным сенсорным органом архаичных птиц было зрение. Этмоидное осязание, прекрасно развитое у рептилий, возникло у современных птиц уже вторично, а вкусовой рецепторный аппарат практически редуцирован. По сравнению с рептилиями у птиц получили дальнейшее развитие вестибулярный аппарат и слуховая система. Обонятельные луковицы, составляющие до 1/3 объёма полушарии переднего мозга у рептилий, не превышают 1/40 у современных птиц. Только немногие виды птиц (альбатрос, попугаи) способны хорошо анализировать запахи и использовать их для навигации и оценки качества пищи. Обоняние явно играло второстепенную роль у рептилийных предков птиц, а вомероназальная система редуцировалась. Невостребованность вомероназальной системы говорит о том, что даже половое обоняние утратило для этой группы значение. Однако нельзя утверждать, что вомероназальная система у предков птиц вообще отсутствовала. В дорсальной части полушарий переднего мозга находится небольшой участок, содержащий все основные фрагменты архи-, палео- и неокортекса. Это говорит о том, что предками птиц, безусловно, были довольно совершенные архаичные рептилии. Они явно обладали всем набором признаков, характерных для наиболее продвинутых представителей рептилий. По-видимому, выделение предков птиц в обособленную специализированную группу произошло к середине триаса, около 230 млн лет назад.

Вполне вероятно, что летающие, планирующие и бегающие птицеподобные рептилии с перьями возникали в этот период неоднократно. На это указывают находки археоптерикса (Archaeopteryx) и энанциорниса (Enantiornithes). Обе группы явно специализированы и скорее всего возникли независимо друг от друга и от предков настоящих птиц (Choudhury, 1995). Единственным кандидатом на роль потенциального предка настоящих птиц может быть протоавис (Protoavis texensis), который уже существовал в позднем триасе. Это значит, что все события, связанные с появлением птиц, происходили в начале или середине триаса. Надо отметить, что протоавис уже обладал достаточно крупным мозгом «птичьего типа» и имел особенности строения скелета, свойственные современным птицам. Это указывает на его явную специализацию, которая должна быть биологически обоснована.

Рассмотрим нейробиологические характеристики и условия возникновения мозга настоящих птиц. Архаичные птицы не пользовались обонянием, вкусовым анализатором и развитыми этмоидными рецепторами рептилий. Слуховая система рептилий была сохранена, но не получила на первом этапе эволюции птиц существенного развития. Зато птицы приобрели феноменальное зрение, которое позволяло тонко различать цвета и оттенки, воспринимать ультрафиолетовую автофлюоресценцию и различать детали предмета примерно в 15 раз лучше читателя (Levine, 1985).

Параллельно происходило интенсивное развитие вестибулярного аппарата и системы координации движений. Следствием интенсивного развития координационных сенсомоторных центров стало появление крупного мозжечка птиц со стратифицированной поверхностью и настоящими складками — бороздами и извилинами (см. рис. III-12; III-13, б). Мозжечок птиц стал первой структурой головного мозга позвоночных, которая имела кору и складчатое строение (Nieuwenhuys, 1998). Это произошло ещё до появления коры переднего мозга млекопитающих. Появление развитого мозжечка птиц таит в себе скрытое противоречие. Полёт в воздухе без такого мозжечка невозможен, а вне трёхмерной среды мозжечок возникнуть не мог. Таким образом, стратегическим приобретением мозга птиц стали две гипертрофированных структуры: зрительный участок крыши среднего мозга и мозжечок. Один анализаторный аппарат был направлен на то, чтобы увидеть добычу, а другой — на точную координацию движений при её поимке.

Ещё одним неврологическим парадоксом является координация движения крыльев. Она не могла возникнуть из планирующего полёта животных типа археоптерикса. К движению передних конечностей в условиях активного полёта предъявляются требования, совершенно необычные для наземных животных. Если бы активный полёт возник из планирования и лазанья по деревьям, то должны были бы сформироваться дополнительные сенсомоторные структуры в ретикулярной формации заднего мозга. Возникла бы своеобразная «полётная» сенсомоторная надстройка над системой управления четырьмя совершенными конечностями, приспособленными для лазанья по деревьям. Аналогичные события при выходе амфибий на сушу привели к появлению красного ядра, управляющего движениями конечностей. Однако у птиц принципиально новые структуры не возникли.

Центральной нервной системе вполне хватило структур, доставшихся предкам птиц от рептилий. На это указывает относительно небольшой размер заднего и продолговатого мозга. Количественные перестройки заднего и продолговатого мозга не затронули «рептилийных» принципов организации сенсомоторных отделов. Единственным исключением стал уже упомянутый мозжечок, координирующий работу всей сенсомоторной системы, а не только одних крыльев. Это говорит о том, что развитие специализированной иннервации передних конечностей происходило эволюционным, а не революционным путём. По-видимому, они долго были относительно небольшими и использовались как вспомогательный, а не основной орган движения. Продолжительная функциональная второстепенность передних конечностей предков птиц освободила их неврологический субстрат для новой специализации. Морфофункциональная невостребованность передних конечностей стала одним из основных условий для создания системы управления движением в полёте. Это означает, что архаичные нелетающие птицы были двуногими зрительными хищниками, которые ловили добычу клювом и почти не пользовались передними конечностями. Если бы так продолжалось долго, передние конечности трансформировались бы во что-то подобное лапам тиранозаврид или орнитисхии (Camptosaurus).

Следует допустить, что плавное изменение нервного аппарата передних конечностей могло быть связано с их использованием для каких-то необычных функций. Этими функциями не мог быть активный полёт или пассивное планирование. Вместе с тем крылья не могли возникнуть и совершенствоваться, если на них сразу было невозможно летать (Tarsitano, 1985). Орган начинает морфологически изменяться, если он постоянно используется в соответствии с одной из потенциальных функций. Невозможно представить, что передние конечности архаичных рептилий эволюционировали в крылья, которыми долго было невозможно активно пользоваться. Для планирования легко приспосабливаются почти любые покровы и перепонки на теле амфибий, рептилий и млекопитающих, что хорошо известно из сравнительной анатомии. Однако ни у одного современного вида животных не возникли крылоподобные структуры для планирования.

Иначе говоря, оснований для подтверждения развития крыльев из адаптаций к планирующему полёту относительно немного. Совершенно иная ситуация с перьевым покровом. По-видимому, он неоднократно возникал в связи с активной терморегуляцией организма. Причиной могли быть как слишком низкие, так и слишком высокие температуры. Многочисленные находки нелетающих оперённых рептилий в Китае подтверждают эту возможность. Однако развитое оперение, в котором маховые перья были бы асимметричны и приспособлены для активного полёта, без серьёзных причин возникнуть не могло (Курочкин, 2001).

Странность эволюции птиц состоит в том, что параллельно с формированием «дополётных» крыльев и оперения совершенствовалось сложнейшее, но совершенно ненужное для нелетающих животных дыхание. При этом птицы беспричинно приобрели теплокровность, а кости их скелета стали лёгкими и полыми. Следует предположить существование довольно необычных условий для появления странноватого набора высокоспециализированных морфофункциональных свойств. Такие масштабные перестройки организма предшественников птиц должны были иметь очень веские причины. Наиболее важными причинами для любой эволюции позвоночных могут быть пища и размножение. Биологическая привилегированность, связанная с избытком пищи и возможностью бесконечно размножаться, является основным фактором, стимулирующим морфологические изменения. Каким именно образом осуществлялся отбор наиболее благоприятных признаков, не очень существенно. Намного важнее причины, вынудившие ту или иную группу животных изменить тип питания, поведения и размножения.

Наиболее действенной причиной смены поведенческих и экологических пристрастий является обширный источник пищи. Самым вероятным источником пищи предков птиц стала рыба, обитающая на мелководье. На это указывают редукция зубов, удлинение этмоидного отдела и формирование клюва. Они явно ловили рыбу, кальмаров или других животных в неглубоких прибрежных зонах, используя длинную шею, удлинённые нижние конечности и хорошо развитый хвост, который выполнял функции балансира (рис. III-15, а, б). Для питания такого типа необходимо иметь развитое зрение и хорошую сенсомоторную координацию. При охоте в прибрежных водах обоняние не имеет никакого значения. Если предки архаичных птиц обитали по берегам водоёмов, то разлагающиеся остатки животных и растений создавали сомнительный фон как для половой, так и для коммуникационной хеморецепции. Неудивительно, что обоняние предков птиц осталось невостребованным, а передний мозг стал материальной базой для эволюции поведения. Предки птиц, практически утратив обоняние, приобрели огромный нейронный ресурс, который стал основой для становления памяти и ассоциативно-эмоционального поведения. Развитие памяти требует только увеличения числа нейронов, участвующих в запоминании (см. § 15). Этот ресурс в переднем мозге птиц огромен (см. рис. III-11). Передний мозг был использован птицами для развития памяти и ассоциативных центров. Однако у современных птиц развиты не только стриатум и септум. На базе этих структур сформировался описанный выше неостриатум, который отсутствует у рептилий (см. рис. III-14, а).

Питание архаичных птиц рыбой подтверждается строением их челюстного аппарата. Зубы древних предков птиц играли только функции фиксатора пищи в клюве.

Они были непригодны для разрывания или разжёвывания пищи, поэтому наиболее вероятно, что небольшая добыча заглатывалась целиком. В такой ситуации не надо было радикально перестраивать организм древних предков птиц, достаточно увеличить количество слюнных желёз и повысить активность желудочного сока, что и наблюдается у современных птиц. В этом случае пища прекрасно смачивалась и ослизнялась перед попаданием в пищевод. Активность желудочного сока даже современных видов птиц позволяет им без остатка переваривать мелких животных целиком.

С переходом на ловлю рыбы пищеварительная система подверглась изменениям. Дополнительные слепые кишки обеспечивали ферментацию глубоко заглоченной пищи уже в кишечнике, а не в желудке. Это позволяло захватывать большое количество пищи и удерживать её в зобе или кишечнике. С адаптацией к ловле рыбы связано и изменение выделительной системы. Накопление мочи, которая утяжеляла птиц и требовала дополнительных расходов на согревание тела, было непозволительной роскошью. Произошла редукция мочевого пузыря, которая сохранилась и у современных птиц.

Надо отметить, что бипедальность среди архаичных рептилий была тривиальным событием и возникала в истории неоднократно. Двуногость птиц легко возникла вследствие необходимости приподниматься над неглубокой водой при ловле рыбы. Хождение в мелкой воде на задних конечностях и ловля добычи удлинёнными челюстями снимали функциональную нагрузку с передних конечностей будущих птиц (см. рис. III-15, б-г). Передние конечности надолго стали помехой, а их неврологический субстрат оказался невостребованным. В этот период истории будущие крылья, по-видимому, значительно уменьшились и стали поджиматься к телу архаичных птиц. Можно предположить, что их основная функция сводилась к дополнительной терморегуляции тела. Для мелководной охоты не нужен особо развитый вестибулярный аппарат, хотя активная двуногость предъявляет повышенные требования к этой системе анализа положения тела в пространстве. Рецепторы линейного и углового ускорения совершенствовались одновременно с развитием кинематики движения шеи и клюва. Наверное, в этот период истории птиц произошла постепенная рудиментация хвоста. Для охоты в мелкой прибрежной воде помехой становятся передние конечности, не говоря уже о хвосте, находящемся над водой.

В этот период существования птиц ничто не обещало им радужного будущего. Довольно небольшая группа бипедальных рептилий с очень специализированным зрением, рудиментарным обонянием и привязанная к определённому пищевому ресурсу была обречена на быстрое вымирание. Однако странноватые прибрежные рыболовы не исчезли. Развитие памяти, способности обучаться и ассоциативные возможности архаических птиц позволили им выжить и освоить новую среду обитания. Эти животные сохранились благодаря тому, что специализировались ещё в большей степени, чем можно было ожидать.

Вполне возможным этапом освоения водной среды стал переход предков птиц к питанию на глубоководных участках билатерали (см. рис. III-15, e). Основной причиной, как обычно, стала пища. В более глубоких зонах океанов пищи было значительно больше или она была доступнее. Предкам птиц потребовалось или перейти к нырянию на глубину, или исчезнуть с лица земли. Вероятнее всего, большая часть прибрежных рыболовов исчезла, а незначительная приспособилась к плаванию и нырянию. Допустив такое развитие событий, мы получим эволюционно перспективную ситуацию. Длинноногие и глазастые рептилии были вынуждены перейти к нырянию за пищей, находящейся в воде. Такой переход можно было совершить, начав использовать для плавания передние конечности, тем более что они долго не участвовали в активном движении. Этот ресурс был задействован для ныряния и непродолжительного плавания. Действительно, даже маленькие крылоподобные передние конечности пригодны для эффективного плавания. На них ещё нельзя взлететь, но с ними можно отлично нырнуть за добычей. В настоящее время огромное количество птиц способны как к полёту, так и к плаванию при помощи крыльев. Пингвины южного полушария, по-видимому, отделились от основной ветви птиц именно в этот момент. Они полностью перешли к плаванию и никогда не летали.

Вода намного плотнее воздуха, но плавательные движения под водой мало отличаются от полёта. Требования гидро- и аэродинамики к крыльям и перьевому покрову птиц практически идентичны. В плотной водной среде нагрузка на грудную мышцу предков птиц была очень велика, что стимулировало быстрое увеличение её размеров. Параллельно развивалась и гидродинамика перьевого покрова. В жёстких условиях водной среды асимметрия перьев крыла могла возникнуть намного быстрее, чем воздухе. С нырянием предков птиц связано изменение в положении и морфологической организации сонных артерий. Редукция сонных артерий обусловлена тем, что при нырянии основное сопротивление воды приходится на голову и шею животного. В этой ситуации сердце должно прокачивать кровь к голове, преодолевая давление воды, движущейся навстречу. Длинная шея предков птиц усложняла эту гидродинамическую задачу до предела. В результате произошли редукция числа сонных артерий и их перемещение в углубление или специальный канал на вентральной (брюшной) поверхности шейных позвонков. Вместе с ними изменил своё положение и симпатический нерв.

Ныряние предков птиц стало стимулом для развития центральных механизмов координации движений в трёхмерной среде. Сформировался огромный и сложный мозжечок, появление которого может быть связано с интеграцией кинематики движения всего тела в трёхмерной среде. В этих условиях остаток хвоста стал довольно существенной гидродинамической помехой. Хвост не участвовал в плавании, но создавал турбулентность, тормозящую движение, поэтому при дальнейшем развитии ныряния и плавания исчез окончательно.

Плавание и ныряние предков птиц предъявляли дополнительные требования к газообмену и массе тела. Появление полых костей привело к повышению плавучести и уменьшению массы тела. Дыхательная система птиц уникальна, поскольку лёгкие снабжаются не обеднённым кислородом воздуха как на вдохе, так и на выдохе. Такая система вполне могла возникнуть в результате адаптации к условиям ныряния в водной среде. Запас воздуха ограничивал пребывание под водой, что и привело к столь неординарному решению проблемы. Сформировались дополнительные дыхательные мешки и специальная система циркуляции воздуха. Ныряние и плавание у предков птиц постепенно создали сенсомоторную и метаболическую базу для воздушного полёта.

Охота в воде позволяет пролить свет на происхождение теплокровности птиц. На хорошо прогреваемом мелководье температура воды и воздуха была примерно одинакова, и добыча рыбы не вызывала особых физиологических проблем. При переходе к нырянию и плаванию архаичные предки птиц могли попасть в холодные воды, где было гораздо больше пищи (см. рис. III-15). Изобилие пищи в холодных водах стало достаточно веским стимулом развития теплокровности, тем более что холоднокровные предки птиц должны были предельно сокращать время пребывания в холодной воде. Только значительный запас воздуха и интенсивная моторная активность становились гарантией возвращения на тёплое мелководье. Краткосрочные, но энергичные ныряния в холодную и богатую пищей воду стали причиной развития мощной мускулатуры передних конечностей будущих птиц. Она не нуждалась в долговременном энергетическом обеспечении. Птицеподобным существам было достаточно непродолжительных, но мощных гребков крылоподобными передними конечностями. Для таких усилий нет необходимости развивать мускулатуру на основе красных мышечных волокон с большой концентрацией миоглобина, связывающего кислород. Вполне достаточно простого увеличения количества традиционной для рептилий мускулатуры, содержащей быстрые фазические гликолитические волокна. Мощные гликолитические волокна грудины птиц имеют очень высокую скорость сокращения, но быстро устают. Это происходит вследствие того, что АТФ продуцируется за счёт гликолиза, а в мускулатуре возникает кислородная задолженность, которая медленно восполняется. Грудная гликолитическая мускулатура сохранилась и у современных птиц. Надо отметить, что птицы, способные к дальним перелётам, обзавелись и быстрыми фазическими окислительными волокнами, которые могут долго сокращаться и используют окислительное фосфорилирование для синтеза АТФ.

Мускулатура передних конечностей, адаптированная к плаванию под водой, стала отправной точкой для перехода к активному полёту. Причин для использования крыльев, возникших как приспособление для эффективного плавания, было несколько.

С одной стороны, продолжительное ныряние в холодной воде и возвращение вплавь к удалённому берегу были энергетически слишком затратны. Достигнуть места кормёжки можно намного экономичнее, если использовать мощные крылья в воздухе. Если допустить, что примитивные маховые движения сочетались со своеобразным «бегом по воде», то такой способ достижения кормовых зон выглядит вполне вероятным.

Современные водоплавающие птицы часто используют интенсивные движения крыльями в сочетании с пробежками по воде. По-видимому, такой «бег по воде» был фазой аэродинамической поддержки тела над водой при переходе к полёту. С другой стороны, оперение, приспособленное для плавания, могло быть с успехом использовано и в воздухе. Воздух намного менее плотная среда, чем вода, поэтому динамическая нагрузка на перьевой покров в воздухе стала бы намного меньше. Переход к «бегу по воде» закрепился в поведении архаичных птиц вскоре после начала ныряния и плавания. Однако часть птиц продолжала специализироваться на водном образе жизни и никогда не использовала «бег по воде». Эти пингвиноподобные архаичные птицы были широко распространены в позднем миоцене северного и южного полушария.

Надо отметить, что переход к активному полёту был относительным упрощением силового плавания и ныряния в холодной воде при помощи крыловидных передних конечностей. Такой вывод косвенно подтверждается более мощным развитием мускулатуры «водных крыльев» у современных пингвинов, чем у летающих птиц. Перейдя к «бегу по воде», птицы стали использовать в воздухе те же движения крыльями, что и в воде. Кинематика движений в обеих средах очень похожа, что значительно упрощало задачу. Однако потребовалось довольно много времени для адаптации крыльев к движениям в менее плотной среде. «Бег по воде» стал длительным биомеханическим этапом постепенного совершенствования специализированной мускулатуры и неврологических механизмов управления полётом птиц.

Параллельно со становлением системы дыхания, кровообращения и мускулатуры передних конечностей у архаичных птиц возникла и теплокровность. Основной причиной её появления стала охотничья среда предков птиц. Значительное преимущество получали те животные, которые могли максимально долго пребывать в холодной воде (см. рис. III-15). Понятно, что теплокровность стала огромным достижением для птиц. Пребывая в холодной воде дольше, чем их конкуренты, они повышали вероятность добывания пищи и снижали общие энергетические затраты. С нырянием и плаванием в холодной воде, по-видимому, связан и тотальный переход предков птиц к откладке яиц. При этом способе размножения животные избавлялись от необходимости согревать и носить с собой своих будущих потомков. Это позволяло уменьшить массу тела животного, повысить плавучесть и снизить энергетические затраты при плавании и нырянии. Насиживаемые или охраняемые кладки яиц можно было увеличивать постепенно. Самки могли откладывать более крупные яйца, что привело к увеличению размеров молодых животных.

Переход к плаванию и нырянию предопределил появление крыльев, развитых грудных мышц, исчезновение хвоста и развитие хвостовых желёз птиц. Перья, которые позволяли сохранять тепло при плавании и нырянии, нуждались в специальной защите от намокания. В противном случае архаичным птицам приходилось подолгу сушить своё оперение, как и некоторым современным птицам. Не исключено, что хвостовая железа появилась в эволюции птиц довольно поздно. Однако высока вероятность того, что это произошло одновременно с переходом к плаванию.

Следовательно, птицы возникли в несколько этапов. На первом этапе это были небольшие оперённые рептилии, перешедшие к питанию рыбой на мелководье. В связи с новым типом питания протоптицы стали двуногими, а передние конечности долго оставались невостребованными. Обоняние было в значительной степени утрачено, а зрение стало доминирующим дистантным анализатором. На втором этапе переход к плаванию и нырянию привёл к развитию машущих передних конечностей и мощных грудных мышц. Охота в холодных водах и продолжительное ныряние стали стимулом для развития сложного дыхания, теплокровности и внеорганизменного развития эмбрионов. Передний мозг, утратив функции обонятельного анализатора, стал структурной базой для развития памяти, обучения и ассоциативного мышления птиц. Сложные движения в трёхмерной среде стали причиной развития мозжечка птиц как сенсомоторного центра координации движений. На третьем этапе архаичные птицы перешли к «бегу по воде» при активной работе крыльев. Такой способ быстрого перемещения над водой стал предтечей свободного полёта и создал переходные условия для медленного становления неврологических систем контроля полёта. Свободный полёт возник после увеличения размеров крыльев и изменения геометрии маховых перьев.