De la dinozaur la pasăre: cum au învăţat păsările să zboare?

Dinozaurii de ieri şi de azi

Imaginea dinozaurului s-a schimbat enorm în cele o sută şi mai bine de ani care au trecut de la descoperirea primelor fosile şi descrierea primelor specii. De la imaginea iniţială de şopârlă enormă şi monstruoasă s-a ajuns azi la conceptul de dinozaur ca fiind o creatură cu o înfăţişare foarte diferită de cea a reptilelor actuale.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Dinozaurii cu pene nu mai sunt azi ceva de neconceput; dimpotrivă, foarte numeroase sunt fosilele care documentează existenţa acestor creaturi. Deci, dintr-o dată, imaginea monstrului reptilian greoi pe care îl asociam cu noţiunea de dinozaur nu mai corespunde în întregime realităţii.

Astăzi ştim că dinozaurii au evoluat în mii de forme, s-au diversificat în mii de specii şi că multe dintre acestea aveau pene, ale căror amprente s-au păstrat în fosile.

Teoria descendenţei păsărilor din dinozauri nu mai este, iarăşi, o noutate. Puţini sunt paleontologii care n-o acceptă; cei mai mulţi dintre specialişti sunt de acord să considere că păsările descind din mici dinozauri din grupul theropodelor, dotaţi cu pene, şi care, cumva, au învăţat, în cursul evoluţiei, să zboare, dând naştere păsărilor de azi. Cei mai îndrăzneţi dintre paleontologi susţin chiar că păsările actuale sunt atât de asemănătoare cu dinozaurii theropozi, încât sunt, practic, dinozauri! (Ceea ce ne face să vedem friptura de pui sau de curcan într-o lumină cu totul nouă.)

Dar cum s-a ajuns de la dinozaurii tereştri la păsările adaptate zborului este o întrebare la care e greu de răspuns. Zborul păsărilor este un fenomen atît de uimitor, atât de complex, încât încă din secolul al IV-lea î.e,n., Aristotel şi alţi cărturari ai Antichităţii au încercat să explice aerodinamica acestui proces, iar dezbaterile continuă şi în ziua de azi. Descoperirea faimoasei fosile de Archaeopteryx litographica – considerată iniţial o pasăre primitivă, mai târziu formă de tranziţie între dinozauri şi păsări – nu a rezolvat  problema, ci a alimentat controversele. Totuşi, Archaeopteryx deţine un rol important în dezbaterile privind evoluţia zborului: pe anatomia ei se sprijină multe dintre argumentele pro şi contra ale diferitelor ipoteze.

Penele nu sunt ceea ce par a fi…

Evoluţia păsărilor, spun paleontologii, a început în perioada jurasică, în urmă cu cca. 150 milioane de ani. O mărturie celebră a acestei evoluţii lor o constituie folsilele de Archaeopteryx litographica, deşi aceasta nu este considerată a fi o pasăre „adevărată” – îi lipsesc multe dintre caracteristicile tipic aviene (de pasăre, adică) şi păstrează multe caracteristici reptiliene – şi nu e socotită drept un strămoş direct al păsărilor actuale. Conform celor mai recente teorii, ea este socotită mai curând o formă de trecere între theropode şi păsările adevărate.

Dar, dotată cu aripi şi pene, ea poate constitui o mărturie a modului în care a evoluat la păsări caracteristica lor definitorie – zborul. De aceea, mulţi paleontologi se ocupă de era în cadrul studiilor privind evoluţia zborului şi de acea ne vom referi şi noi la ea în cadrul acestui articol. (Însă nimic nu este însă bătut în curie, cum se spune; relaţiile dintre dinozauri, Archaeopteryx şi păsările moderne sunt un subiect de dezbateri aprinse în lunmea paleontologiei, iar discuţiile în contradictoriu privind apariţia zborului activ – a zborului cu bătăi din aripi, ce caracterizează păsările de azi – este una dintre faţetele polemicii în acest domeniu al cercetării.)

Să facem, aşadar, cunoştinţă cu Archaeopteryx litographica – pe scurt, Archaeopteryx – o creatură ce prezintă un amestec de trăsături aviene şi reptiliene, oferind, prin urmare, o imagine a evoluţiei care a dus de la theropode la păsări. Prima fosilă a acestei specii a fost descoperită în anul 1861 la Solnhofen, în Bavaria (sudul Germaniei), sub forma unei singure pene. În acelaşi an, a fost descoperit, în calcarele jurasice, şi un schelet complet. Excepţional de bine păstrat, el constituie şi acum un material de bază pentru studierea acestor creaturi şi a probelmaticii zborului la păsări. Ulterior au mai fost descoperite alte 10 exemplare, iar cercetările asupra lor, cu tehnici din ce în ce mai performante, evidenţiază mereu alte şi alte particularităţi care  confirmă ori infirmă ipotezele legate de apariţia zborului şi vor duce, în cele din urmă, la descifrarea acestui mister al evoluţiei.
 

Un triumf al aerodinamicii

Zborul păsărilor necesită integrarea echilibrată a patru forţe: tracţiunea (forţa care propulsează corpul înainte), rezistenţa la înaintare, portanţa (forţa care ridică pasărea şi o menţine în aer) şi greutatea. Echilibrul acestor forţe este asigurat de anumite caracteristici fizice ale organismului păsării.

Aripile asimetrice, întâlnite la marea majoriotate a speciilor de păsări, ajută la obţinerea tracţiunii şi a portanţei.

Rezistenţa la înaintare este controlată fie în sensul  micşorării ei – prin forma aerodinamică a corpului – fie al creşterii ei, la aterizare sau încetinirea zborului, prin folosirea cozii şi a picioarelor.

Greutatea este un obstacol dificil pe care păsările au trebuit să-l depăşească în cursul evoluţiei, pentru a se putea ridica în aer. Păsările zburătoare şi-au redus greutatea prin mai multe „trucuri” evolutive, printre care:

• reducerea maxilarelor osoase înzetsrate cu dinţi; botul osos al dinozaurilor a fost înlocuit  de ciocul cornos al păsărilor, mult mai uşor, iar mestecarea alimentelor se face în stomacul muscular (pipota) păsărilor, care astfel auputut renunţa la dinţi.
• oasele au devenit pneumatice – cu largi spaţii pline cu aer în interior – reducând astfel greutatea scheletului.

Practic, la toate nivelurile şi în toate regiunile corpului au avut loc schimbări: cerebelul a devenit mai mare, reflectând funcţia sa importantă în menţinerea echilibrului şi coordonarea fină a mişcărilor. Pieptul a căpătat o carenă (creasta de pe mijlocul osului pieptului) pe care se inseră muşchii puternici ai toracelui, care asigură mişcarea aripilor etc. O biomecanică de o complexitate uluitoare şi o coordonare motorie de excepţie fac posibil acest miracol al naturii – înălţarea păsării în zbor.

Dar n-a fost mereu aşa. Dacă acceptăm teoria că păsările deschid din mici dinozauri theropozi nezburători, trebuie să venim şi cu ipoteze privind modul în care au învăţat să zboare. Până în prezent au fost emise patru astfel de ipoteze, sau modele, sau scenarii, cum vrei să le spunem.

Înainte de a lua la rând ipotezele, să spunem ceva despre pene. Este evident că penele au o mare importanţă în relizarea zborului păsărilor. Multă vreme viziunea paleontologilor a fost dominată de concepţia că penele reprezintă o adaptare la zbor, că au apărut în contextul trecerii la aceste mod de deplasare. Dar descoperirea dinozaurilor cu pene, nezburători – particularităţile scheletului arătau clar că aceste creturi nu puteau zbura – a zgâlţâit din temelii această viziune, silindu-i pe specialişti să găsească alte explicaţii pentru apariţia penelor. Aşadar, ce făceau cu penele nişte fiinţe care nu zburau? Se consideră că, la dinozaurii theropozi, penele aveau cel puţin două roluri: unul legat de termoreglare – menţinerea constantă a temperaturii corpului -, altul de prezenţa vizuală a animalului, probabil în relaţie cu ritualurile de împerechere. Abia în mod secundar penele ar fi ajuns să fie utilizate şi pentru zbor, selecţia naturală favorizând, la păsări, dezvoltarea unor pene mai eficiente (pana cu ax central, numit rahis, şi cu lamele laterale rigide, aşa cum se întâlnesc în aripile şi coada păsărilor).

Jocul ameţitor al ipotezelor

Iată-ne, aşadar, acum cca. 150 de milioane de ani, când din theropozii carnivori de dimensiuni mai mici, înzestraţi cu pene la membrele anterioare, au început să se diferenţiaze nişte creaturi în stare să se menţină în aer câteva secunde, apoi minute şi, în cele din urmă, cu trecerea milioanelor de ani, au devenit minunatele zburătoare pe care le cunoaştem azi,  în stare să se ridice la înălţimi ameţitoare şi să plonjeze spre pământ ca o săgeată, să migreze dintr-un capăt în altul al Pământului şi să vâneze din zbor. Cum s-ar fi putut petrece lucrurile?

1. O veche ipoteză explicativă este cea numită „de sus în jos”, sau modelul „arboricol„. Acest scenariu,  propus în 1889 de un vestit paleontolog american, Othniel C. Marsh, presupune că strămoşii păsărilor ar fi fost nişte creaturi theropode arboricole, care se deplasau de la un copac la altul sărind şi planând, folosindu-şi aripile pentru a-şi menţine echilibrul.

În această viziune, zborul planat de la un copac la altul era considerat o modalitate mai eficientă de deplasare decât mersul pe pământ între aceiaşi copaci, deoarece faptul că aninmalul putea acoperi distanţe lungi dintr-un singur salt compensa faptul că cheltuia energie căţărându-se în copaci. (Pentru comparaţie, veveriţele zburătoare actuale oferă un model al acestui tip de locomoţie).

Actualmente, există controverse între paleontologi îb ceea ce priveşte acest scenariu. Unii apără acest model, pe baza similarităţilor dintre scheletul de Archaeopteryx şi scheletul păsărilor moderne. Alţii îl resping, argumentând că anumite trăsături ale morfologice ale lui Archaeopteryx (anatomia piciorului şi conformaţia ghearelor), aşa cum reies ele din studiul fosilelor, sugerează că această creatură nu era o bună căţărătoare şi  nu se putea menţine prea bine pe ramurile copacilor.  În ciuda faptului că, după cât se pare, Archaeopteryx avea senzorii vestibulari (din urechea internă) şi structurile cerebrale asemănătoare cu cele folosite de păsările de azi pentru controlul zborului, precum şi un aranjament al penelor din aripi şi coadă similar celui întâlnit la păsările de azi, picioarele ei, spun criticii  modelului arboricol, nu erau cele ale unei păsări care şi-ar duce viaţa în copaci.

2. Un model invers, „de jos în sus”, sau „alergător„, a fost propus iniţial în 1879, de către Samuel Wendell Williston; în opinia lui,     “zborul s-a dezvoltat la bipedele alergătoare printr-o serie de salturi scurte.” Aripile ar fi avut un rol în realizarea tracţiunii, dar şi în echilibru şi, în cel din urmă, pe măsură ce lungimea salturilor creştea şi animalul rămânea tot mai mult în aer între două luări de contact cu Pământul, zborul activ – cu bătăi din aripi – a înlocuit planările.

În anii 1970, John Ostrom (unul dintre primii susţinători ai teoriei descendenţei păsărilor din dinozauri, la vremea aceea considerată hazardată, dar azi acceptată de aproape toţi specialiştii în domeniu) a reluat această teorie, modificând-o astfel încât să descrie strămoşii păsărilor ca fiind nişte mici theropode terestre, care săreau în aer pentru a prinde insectele cu care se hrăneau; treptat, membrele anterioare/aripile acestor creaturi au ajuns să fie folosite pentru a ridica animalul de la pământ, prin bătăi puternice.

Cercetările s-au bazat pe compararea cantităţii de energie cheltuită prin fiecare metodă de prindere a prăzii cu cantitatea de hrană procurată, în cazul unei creaturi ca Archaeopteryx. Concluzia a fost că un animal care ar fi alergat şi ar fi sărit pentru a prinde insecte – în modul descris mai sus – ar fi obţinut de două ori mai multă hrană decât alergând după insecte, pur şi simplu, ducând la concluzia că salturile realizate cu ajutorul aripilor erau o metodă de vânătoare mai eficientă.

Apărătorii acestei ipoteze susţin că Archaeopteryx, cu picioarele ei lungi şi verticale, era cel mai probabil o pasăre terestră, nu una arboricolă, iar combinaţia dintre forţa de împingere a picioarelor şi tracţiunea generată de bătăile aripilor ar fi oferit acceleraţia necesară pentru a desprinde corpul de pământ. Şi astfel, prin acest mecanism, Archaeopteryx ar fi ajuns să zboare pornind nu din copaci, ci de pe sol.

Argumentele în sprijinul acestui model sunt numeroase, dar tot numeroase sunt şi argumentele contra. Modelul „alergător” este mai puţin eficient energetic decât modelul „arboricol”. Ţinânds seama de greutatea ei, pentru a se desprinde de pământ Archaeopteryx ar fi trebuit să alerge de trei ori mai repde decăt păsările moderne care îşi iau zborul în acest fel. Alte consideraţii, legate de biodinamică, duc şi ele la concluzia că un zbor astfel pornit ar fi fost foarte scurt şi ineficient, în cazul lui Archaeopteryx. Mai recent, cercetări de anatomie sugerează că, la această specie, articulaţia umărului nu ar fi avut conformaţia necesară pentru a permite bătăile de aripi şi, deci, creatura ar fi putut doar plana, nu întreprinde un zbor activ.

Păi, dacă nu a fost de sus în jos şi nici de jos în sus, atunci cum a fost? Pare o situaţie fără ieşire, dar să avem  răbdare: au fost propuse, mai recent, modele care reprezintă variaţii ale celor două modele clasice – arboricol şi alergător – şi care aduc nuanţe noi, ce ar putea rezolva unele dintre punctele controversate ale modelelor tradiţionale.

3. Astfel, WAIR (wing-assisted incline running) este o variantă mai rafinată a scenariului de jos în sus; conform acestui scenariu, aripile păsărilor ar fi evoluat prin modificarea membrelor anterioare, astfel încât acestea să împingă corpul în sus, permiţând strămoşilor păsărilor să urce pe pante cu înclinaţie foarte mare, cum ar fi trunchiuri de copaci aproape verticale. Acest model a fost dezvoltat pornind de la observarea puilor de chukar (Alectoris chukar), o specie de potârniche răspândită mai ales în Asia, dar comportamentul se întâlneşte şi la alte păsări actuale. Nevoia de a scăpa de prădători fugind în sus pe trunchiuri de copaci ar fi dus la dezvoltarea funcţiei aerodinamice a aripilor. Pentru a se agăţa bine cu picioarele de trunchiul copacului, creaturile respective au nevoie de o forţă care să deplaseze corpul în sensul mişcării (aşa cum se vede în materialele video de mai jos), forţă pe care o obţin cu ajutorul aripilor.

Scenariul este controversat. Unii dintre paleontologi afirmă că, de vreme ce la Archaeopteryx articulaţia umărului nu are structura necesară pentru a permite bătăi eficiente ale aripilor, WAIR nu ar fi fost posibil la strămoşii păsărilor. Alte cercetări, însă, sugerează că apariţia capacităţii de a zbura ar fi ţinut mai curând de controlul neuromuscular şi de forţa muşchilor decât de anatomia aripii şi, astfel, chiar şi aripi imperfect dezvoltate, incapabile să  ridice pasărea în zbor, ar fi putut totuşi oferi forţa necesară pentru a permite WAIR.

În plus, acest model oferă şi o explicaţie plauzibilă a tranziţiei evolutive la zborul activ (bătând din aripi), a modului în care s-ar fi putut trece de la urcuşul pe planuri înclinate la zbor: muşchii pectorali ai păsărilor (muşchii pieptului, implicaţi în mod fundamental în realizarea zborului) au devenit tot mai puternici, permiţând animalelor să urce pe planuri tot mai abrupt înclinate, apoi pe trunchiuri verticale, până când, în cele din urmă, le-au îngăduit să se lipsească de trunchiurile de copaci şi să se ridice de-a dreptul în aer.

4. În fine, un model mai recent (Garner, Taylor &Thomas, 1999), numit Pouncing Proavis, reprezintă o variantă ingenioasă a modelului de sus în jos. Modelul Pouncing Proavis aduce în scenă imaginea unui strămoş al păsărilor, prădător şi agil, care vâna aruncându-se de la înălţime – din copaci ori de pe stânci – asupra prăzii, folosindu-şi membrele posterioare pentru a prinde victima, aşa cum fac azi păsările răpitoare. Nu o „lua din zbor” – cum fac răpitoarele moderne – ci o izbea venind de sus asupra ei, doborând-o la pământ.

Un astfel de comportamet necesita un control foarte bun al poziţiei corpului, al echilibrului  şi al mişcărilor în cursul atacului şi astfel, mecanismele care controlau deplasarea au evoluat sub presiunea selecţiei naturale, pentru a asigura eficienţa mişcărilor. Ulterior, păsările au învăţat, prin evoluţie, să folosească rezistenţa la înaintare pentru a-şi încetini la nevoie mişcarea, să utilizeze penele pentru a dobândi forţă portantă şi, astfel, au transformat metoda de atac iniţială în metoda actuală, în care înhăţarea din picaj a prăzii, cu picioarele, este urmată de ridicarea în zbor, cu prada în gheare – un adevărat tur de forţă şi un miracol aerodinamic.
Care ar fi punctele tari ale acestei noi teorii? Autorii ei consideră că există cel puţin patru:

• modelul se potriveşte cu modul în care au fost dobândite caracterele specifice păsărilor în decursul evoluţiei, aşa cum reiese din cercetările comparative asupra fosilelor de diferite vârste şi asupra păsărilor actuale.
• permite existenţa unui animal similar cu Archaeopteryx, având un schelet mai mult sau mai puţin identic cu al theropodelor terestre, puţin adaptat la mişcări de geneul bătăilor din aripi, dar cu aranjamente asimetrice de pene care ofereau capacităţi aerodinamice avansate.
• explică faptul că aceşti răpitori primitivi (probabail asemănători cu Microraptor) ar fi putut coexista cu animale zburătoare mai avansate (precum Confuciusornis or Sapeornis); nu se aflau în competiţie cu aceştia, deoarece nu ocupau aceeaşi nişă ecologică.
• Explică faptul că evoluţia penelor alungite, cu ax central, a început cu forme mai simple, care ofereau un avanataj prin faptul că produceau rezistenţă la înaintare. Mai târziu, forme mai avansate de pene ar fi putut evolua, de asemenea, pentru a produce şi portanţă.

Există, aşadar, puncte de pornire care să permită explorarea mai departe a domeniul fascinant al zborului păsărilor. Cândva, vom şti cum s-a ajuns de la dinozaurii care-şi fluturau penele încercând să atragă atenţia sexului opus la păsările care au descoperit – evolutiv vorbind – că acelaşi pene pot fi folosite şi pentru moduri de locomoţie cu totul noi. Sub presiunea selecţiei, penele s-au diversificat, scheletul s-a modificat, simţurile au suferit transformări. O nouă lume – cea a spaţiului aerian, infinit de vast şi plin de promisiuni – s-a deschis în faţa urmaşilor acestor dinozauri cu pene, iar noi suntem azi martorii urmărilor acestui fenomen extraordinar. Fiecare pasăre pe care o urmărim cu privirea în văzduh, minunându-ne de uşurinţa cu care stăpâneşte cerul şi învinge în fiecare clipă atracţia Pământului, este produsul acestei deveniri.