Вопрос о том, как динозавры научились летать, — один из самых спорных в палеонтологии. Одни ученые предполагали, что полет начался со взлета: согласно ряду гипотез, будущие летающие динозавры передвигались по земле бегом или прыжками и крылья были нужны им лишь для того, чтобы сохранять равновесие. Прыжки становились все длиннее, крылья крепли и требовались все чаще, и таким образом этот бег с прыжками однажды превратился в полет. Согласно другой гипотезе, полет динозавов начался с падения: они планировали вниз с возвышенностей — например, во время охоты или скрываясь от хищников среди деревьев. В первом случае полет должен был начаться со взмахов крыльями, а во втором, соответственно, с планирования.
Читайте также: Археоптерикс оказался летуном на короткие дистанции
Авторы новой работы — сторонники первой, «взлетной» теории. Они предполагают, что предпосылки к полету возникли во время быстрого бега. Из-за вибраций, причиной которых были быстро двигающиеся конечности, крылья динозавров сперва двигались непроизвольно, и уже потом динозавры догадались, что эти движения можно применять с большей пользой.
Проверить эту гипотезу ученые решили на примере небольшого динозавра каудиптерикса, который жил в раннем меловом периоде около 125 миллионов лет назад. У каудиптерикса были относительно короткие крылья с прямыми перьями, с помощью которых тот не мог летать. Основываясь на характеристиках пяти описанных особей этого динозавра, ученые приняли его среднюю массу за 5 килограммов, а максимальную скорость бега оценили в 8 м/с.
Сначала исследователи создали модель того, как разные части тела каудиптерикса вели себя во время бега. Для этого авторы работы воспользовались теорией эффективной модальной массы, которую применяют, в частности, при оценке сейсмоустойчивости зданий. Она объясняет, как колебания от основы какого-либо объекта передаются его частям. Если эти колебания входят в резонанс с собственной частотой другой части объекта, то амплитуда колебаний значительно увеличивается.
Для упрощения авторы работы представили динозавра в виде семи частей: тела, двух ног, двух крыльев, хвоста и шеи с головой. Для экспериментов подобрали несколько разных соотношений масс каждой из частей, но в сумме они всегда равнялись заданным 5 килограммам.
Ноги в данном случае представляли собой основу, от которой колебания остальным частям тела передавались только в вертикальном направлении. Вибрациями в горизонтальном или иных направлениях ученые пренебрегли. Расчеты показали, что крылья каудиптерикса должны непроизвольно взмахивать при скорости бега в 2,5 и 5,8 м/с.
Далее ученые решили подтвердить свои расчеты при помощи экспериментов на специально сконструированной пластиковой модели. Ученые собрали ее из тех же семи условных частей, каждая из которых была напечатана из АБС-пластика. Когда такой робот-каудиптерикс достигал скорости 2,31 м/с, то есть близкой к первому показателю из математических расчетов, то амплитуда движения его крыльев начала расти и это все больше стало напоминать взмахи.
От экспериментов с пластиковым динозавром ученые перешли к страусам, которые похожи на нужных динозавров больше, чем остальные доступные для исследований современные птицы. В опытах задействовали юного страуса массой 6,7 килограмма. Ему на спину прикрепили специальное устройство с крыльями, имитирующими крылья каудиптерикса.
Кроме перьев на крыльях были закреплены датчики, которые фиксировали скорость страуса, углы, на которые наклоняется его тело во время бега, а также силу, с которой крылья поднимались во время бега. Чтобы опробовать разные аэродинамические условия, ученые протестировали четыре таких устройства с разными параметрами крыльев.
Опыты со всеми вариантами искусственных крыльев также подтвердили, что, когда страус развивал определенную скорость, искуственные крылья у него на спине начинали двигаться, совершая «протовзмахи». Хотя каудиптериксы и им подобные нелетающие динозавры вряд ли взлетали в результате подобных движений, но, как считают ученые, это все же помогло эволюции полета. Авторы статьи также замечают, что результаты их работы подтверждают, что маховые движения у предков птиц появились раньше, чем планирующие.
Далее ученые планируют выяснить, какую подъемную силу могли развивать такие пассивные движения крыльев и не могло ли это, в свою очередь, спровоцировать возникновение полета у динозавров.
Это не первый случай, когда ученые, пытаясь уточнить что-то в движении динозавров, используют в качестве модельного организма птицу «с пристройкой». Так, в 2014 году группа исследователей заставила курицу ходить «по-динозаврьи», оборудовав ее искусственным хвостом.
Наиль Фарукшин