Интересно, что "отряд" существ, способных летать, не так уж мал - в него входит около 60% всех живых существ на планете. Земные живые существа, как утверждает "Журнал общей биологии", (1978, т.276, с. 493.). весом более 12 кг вообще не должны обладать способностью летать. И действительно, ни одно из летающих существ не способно подняться в воздух, если его вес превышает указанную величину.
Среди теплокровных летают только птицы и рукокрылые млекопитающие. Для максимальной экономии расходуемой энергии летающему организму необходима надежная теплоизоляция, которая бы сводила к минимуиу теплопотери организма, особенно во время полета. Особенно эффективным здесь оказалось оперение - пух и перья. Именно они позволяют птицам жить в уловиях самого сурового климата в течение круглого года. Рукокрылые, не имеющие такого приспособления для сохранения тепла, в умеренных широтах вынуждены в зимнее время впадать в спячку. Самое крупное рукокрылое - летучая мышь, обитающая в Индонезии, достигает размеров 40 см при размахе крыльев в 2 метра. Вес ее не более 900 г - всего в 8 раз больше, чем у самого крупного летающего насекомого. А восточноафриканская дрофа (18 кг) в 20 раз превышает вес упомянутого рукокрылого. Но уже она летает с большим трудом.
Но и внутри летунов тоже не все так просто. Если для мелких птиц летать не представляет особого труда, то для крупных птиц, это тяжелый обременительный труд. Подъемная сила зависит от скорости: птица, летящая вдвое быстрее, увеличивает свою подъемную силу вчетверо, и потому чем крупнее и тяжелее птица, тем быстрее она должна летать. Но в действительности не совсем так. Для ласточки скорость, необходимая для того, чтобы держаться в воздухе, 5,7 м/с. Но они развивают в полете скорость почти 30 м/с; то есть, у них огромный резерв скорости. А вот для глухаря минимальная потребная скорость 15 м/с, а максимальную он развивает 16 м/с, то есть он летает на пределе своих возможностей. А альбатросам под силу только 14,4 м/с, а они должны летать со скоростью15,3 м/с. Но эти птицы являются исключением, подтверждающим правило, так как им почти не приходится прибегать к услугам мышц. Они парят над морем на неподвижно распростертых крыльях в восходящих потоках.
Английский ученый Дуглас Уилки решил "подсечь" барьер мышечного полета.
Ученый размесил весь животный мир - от муравья до слона и отложил его две мощности: среднюю, характерную для этого существа в обычных условиях, и максимальную. Получилась двухэтажная диаграмма. Мощность живых существ растет намного медленнее, чем их вес, и чем крупнее животное, тем меньшая доля приходится на каждый килограмм его веса. Таким образом, получается, что муравей гораздо сильнее слона. А мощность, требуемая для полета пропорциональна весу, возведенному в степень 1,167. Она устремляется вверх крутой прямой (самая жирная линия) и пронизывает оба "этажа" диаграммы. Точки пересечения обозначают два весовых потолка. Первый потолок отделяет всех легко летающих существ от тех, кому полет дается ценой траты больших сил. Эта граница обозначает максимальный вес крылатых.. Но этим не исчерпываются энергетические ресурсы организмов. И здесь кривая встречается с максимальной мощностью животного, которую он может развить на короткое время. Этот потолок находится вблизи 170 кг. Граница-максимум ограничивает круг летунов, которым энергетически невыгодно летать.
Еще в 1998 году Н.Е.Жуковский показал теоретически, что подъемная сила машущего крыла во много раз больше крыла неподвижного, и птицы на каждую единицу своей мощности поднимают груз в десятки раз больший чем наши летательные аппараты.
Критерием величины птицы является ее вес, которые прежде всего диктует птицам их летные возможности при одном и том же размахе крыльев. Многие птицы, для того чтобы увеличить свои летные возможности при большом весе прибегают к помощи встречного ветра, восходящих потоков воздуха, особенностям аэродинамики в зависимости от рельефа местности или геометрии волн. Но тем не менее, вышеуказанный барьер для птиц непреодолим.
И тем более удивительно, что в семидесятых годах в Аргентине в провинции Ла-Пампа были однаружены кости огромной хищной птицы, жившей на земле 5-8 млн. лет назад. Останки были столь огромными, что казались нереальными. Аргентавис магнифиценс - так окрестили этого монстра - был хорошим летуном. Об этом свидетельствуют пропорции скелета, размах ее крыльев. А сильные длинные ноги свидетельствуют, что эта "крошка" и хорошо бегала. Размах крыльев птицы достигал 6-8 метров, росто 1,6 м, а масса до 120 кг! В дальнейшем эта цифра была уменьшена до 80 кг. Только маховые перья летуна достигали полутора метров, да и головка ее была с пол-метра! Недавно вымерший ее ближайший родственник, который до сих пор считался самой крупной из когда-либо летавших птиц - тераторнис - намного уступал по размерам аргентавиусу.
Птица была хищником, и после длительных исследований было решено, что она добывала добычу, орушивая на небольших животных всю массу своего тела. В пользу этого предположения свидетельствует и слабый клюв гиганта.
Примерно 65 миллионов лет тому назад внезапно вымерли птерозавры - крылатые рептилии, размеры которых порой были сопоставимы с иным самолетом. С этими рептилиями всязан ряд загадок. Одна из них - как они умудрялись летать?
Появились эти создания на Земле примерно двести миллионов лет назад; не все были огромными - некоторое были размером с воробья. Размах же крыльев птеронадона превосходил порой 8 метров. Правда, утверждают, что вес его был около 18 кг, во что слабо верится.
Но существо, останки которого найдены в Техасе в 1971 году, имело размах крыльев до 15 м, зубастый клюв длиной в 1,4 метра и было, наверное, самым крупным и тяжелым из когда-либо летавших в небе планеты.
Полет требует затрат большого количества энергии, которое может обеспечить только теплокровные организмы. Именно поэтому среди холоднокровных летают только насекомые, среди которых в настоящее время самым крупным является жук голиаф (115 г).
Крылья птерозавров были перепончатыми, но прикреплялись перепонки не ко всем пальцам, кроме большого, как у рукокрылых, а только к четвертому, очень сильно развитому пальцу. Первые три выходили на крыльях как лапки.
Поначалу полагали, что птерозавры, как и все рептилии, были холоднокровными и неспособными к активному полету. Считалось, что они карабкались на скалу, с которой сбрасывались вниз и планировали на свою добычу.
В 1986 году недалеко от Вашингтона учеными Смитсоновского института были проведены испытания модели преродактиля, вес которой составлял 20 кг, а размах крыльев 4,75 м. Модель держалась в воздухе не более минуты, затем рухнула на землю и разбилась.
Эти испытания укрепили исследователей в мысли, что птерозавры были теплокровными животными и владели активным машущим полетом. Более того, их тело для теплоизоляции должно было иметь волосяной покров. Именно волосяной, так как среди окаменелых останков следов перьев не обнаружено.
Исследования бедренных костей птерозавров показали, что бедра их были вывернуты наружу, поэтому эти ящеры ходили вразвалку, как утки, и ходоками были неважными. Поэтому они, подобно нашим летучим мышам, в свободное время висели вниз головой на больших деревьях или на скалах.
Но, как рептилии, они, по-видимому, не были живородящими, а откладывали яйца.
Здесь следовало бы обратиться к статье В. Дольника "Биоэнергетика современных животных и происхождение гомойтермности" (Журнал общей биологии, т. XLII, № 1, 1981)
Организм теплокровных животных характеризуется тем, что скорость протекающих в нём биохимических реакций постоянна и не зависит от температуры окружающей среды. Это обстоятельство резко повышает двигательную активность животного, в том числе и способность к более активному полету. Но за терморегуляцию приходится расплачиваться , так как она забирает почти треть всей энергии, получаемой организмом из пищи.
Следует отметить, что в какой-то степени поднимать температуру своего тела могут даже насекомые и даже растения, но работающего устойчиво механизма терморегуляции они не имеют. Так, бабочки при температуре окружающей среды 7-15oС могут поднимать температуру своего тела до 35-50oС!
Интересно, что при большой двигательной активности животные, независимо от типа, класса, имеют примерно одну и ту же температуру. У птиц это 39-41oС, 36-37oС - у млекопитающих и 40oС - у насекомых.
Количество тепла, необходимое для разогрева тела, зависит от массы тела. Так, чтобы разогреть организм массой в 1 г на 10oС при интенсивном обмене веществ потребуется 3,5 мин., при 100г - полчаса, 10 кг - 5 часов. Если же вес примерно в 10 т, то время такого разогрева увеличится до 139 часов, то есть потребуется почти 6 суток. Именно этим можно объяснить, что кратковременный разогрев для кратковременной двигательной активности могут себе позволить только мелкие организмы.
До сих пор до конца неясно, как и когда возникла гомотермия организма. Терморегуляция организма направлена не столько на сохранение выработанного тепла, а на его производство. В противном случае для организма потребовались бы густая шерсть, мощные жировые прослойки или большая масса пуха. Это было бы большим бременем для активного организма.
Именно поэтому возник механизм, обеспечивающий термостабильность, в первую очередь у крупных животных.
У рептилий количество избыточного тепла, уходящего из организма в окружающую среду, намного ниже, чем у теплокровных или птиц. В отсутсвии двигательной активности рептилии производят в 10 раз меньше тепла, чем гомойтермноые животные, а во время максимальной активности этого тепла в 40 раз меньше, чем у птиц, и в 20 раз меньше, чем у млекопитающих. Голое, лишённое теплоизолирующего покрова тело пресмыкающегося, способного сохранить превышение своей температуры над окружающей средой на 10o, должно бы весить более двух тонн!
Это становится особенно интересным в свете обсуждаемого вопроса. Из сказанного выше ясно, что летающие рептилии должны были иметь какой-то механизм выработки дополнительного тепла в состоянии полёта. Тем более, что даже у птиц во время полёта, который может длиться часами, расход энергии организма в 10 раз превышает тот уровень, который характерен для покоящегося организма (уровень базального метаболизма). Если же нагрузка в полёте возрастает в 15-20 раз, то организм испытывает кислородное голодание. Для полёта ящера необходимы или особенно высокий уровень базального метаболизма, или способность организма увеличивать потребление кислорода в 75 раз относительно состояния покоя! А у рекордсмена потребления кислорода при максимальной активности - варана это превышение составляет только в 24 раза. У питона этот уровень превышается - в 12, крокодила - в 17 раз.
Для выхода из этого противоречия В. Дольник предполагает, что большую роль в этих случаях играло анаэробное дыхание, подобное тому, которое присуще для многих анаэробных организмов. Анаэробное окисление даёт организму рептилии до 80% необходимой энергии, и оно мало зависит от температуры; поэтому рептилиям не было необходимости становиться теплокровными. Но анаэробный процесс является активным конкурентом процесса аэробного, поэтому при анаэробных процессах, которые активизируются лишь в моменты максимального напряжения, невозможен длительный полёт.
В организмах возникавших птиц анаэробные процессы постепенно вытеснялись, а чтобы активность организма не зависела от температуры, организм приобрёл систему термостабилизации.
Здесь, правда, возникает вопрос: как птицы умудряются совершать длительный полёт на больших высотах в условиях постоянного кислородного голодания при перелётах. Такие полёты длятся в течение нескольких суток на высотах в несколько километров, как правило, в условиях голода.
