Самой крупной птицей, когда-либо существовавшей на Земле, считается воромбе, обитавшая на Мадагаскаре за несколько веков до нашей эры. Однако эта птица была нелетающей, и ее масса достигала чуть более 700 кг (для сравнения, слоны, которых охотилась Рух, весят от 3 до 7 тонн). Что касается летающих птиц, то их максимальная масса значительно меньше — около 70 кг. Именно такой вес, по современным оценкам, имел аргентавис, ископаемый предок современных кондоров, которые считаются одними из самых крупных птиц на планете.
Физические ограничения
Почему же на сегодняшний день на планете нет птиц таких размеров? Основным ограничением является необходимость полета. С точки зрения физики, существует два основных типа полета: активный машущий (как у воробьев или голубей) и «пассивный» планирующий, использующий энергию восходящих потоков воздуха (как коршуны, которые кружат в небе).
Аргентавис был планером, что позволяло ему достигать таких размеров, поскольку при планировании основная часть энергии, необходимой для полета, передается внешним силам — потокам воздуха. Наиболее крупные современные планеры — андский кондор и странствующий альбатрос, вес которых может достигать 15–16 кг.
Если же птица использует активный машущий полет, то возникают строгие ограничения по весу — не более 12 кг. В энциклопедиях можно встретить утверждение, что самой крупной летающей птицей является дрофа, у крупных самцов которой вес может достигать 20 кг.
Однако здесь есть нюанс. Взрослые самцы дроф действительно могут набирать вес до 20 кг, но при этом полностью теряют способность взлетать. Даже если не углубляться в крайности, назвать эту птицу летающей можно с большой натяжкой, так как даже молодые и «легкие» дрофы летают крайне неохотно и на короткие расстояния. Таким образом, самой крупной полноценно летающей птицей является лебедь, и, что важно, дикие лебеди не превышают 12 кг.
Пороговая мощность
Откуда же берется это ограничение? Его можно вычислить. Любое живое существо преобразует энергию химических связей из пищи в механическую энергию для сокращений мышц или в тепловую энергию для поддержания температуры тела. При «сжигании» пищи расходуется кислород, который организм вдыхает. Параметр, показывающий, сколько единиц энергии (джоулей или калорий, в зависимости от системы измерений) может преобразовать тело за единицу времени, называется мощностью. Физиологи обозначают его как «интенсивность метаболизма».
Гигантские нелетающие птицы, такие как эпиорнисы, к которым относится воромбе, вымерли примерно в X веке н. э.
Калорийность пищи (то есть количество энергии, которое можно из нее извлечь) — это известный факт. Зная, сколько пищи потребляет животное, и анализируя его потребление кислорода (для этого используются специальные маски), можно вычислить его «мощность».
Конечно, мощность лебедя и перепела, выраженная в ваттах, будет значительно отличаться. Поэтому физиологи используют относительную единицу измерения, называемую «основной уровень обмена» или сокращенно BMR (от англ. basal metabolic rate).
Когда вы отключаете электрочайник от сети, его мощность падает до нуля, но птица никогда не «выключается из сети» до самой своей смерти. Даже когда она сидит на ветке и отдыхает, у нее бьется сердце, дыхательные мышцы прокачивают воздух по трахее и бронхам — и на все это требуется энергия.
Разумеется, количество энергии, необходимое для поддержания «холостого хода» лебедя и перепела, различается. Но если выразить единицы энергии, необходимые для различных видов активности птицы, не в ваттах, а в числах BMR, они совпадут.
Например, стояние будет стоить как лебедю, так и перепелу 1,3 их BMR, а спокойная ходьба — 1,6 BMR. Полет — это очень «дорогая» активность, и большинству птиц она обходится в целых 12 BMR (вместо 1 минуты полета птица могла бы 12 минут спокойно отдыхать). Разумеется, чем больше масса птицы, тем выше ее затраты на полет.
Существует также пороговая мощность, необходимая для того, чтобы просто оторваться от земли в условиях земного притяжения и плотности атмосферы — и она также увеличивается с ростом массы тела. Пороговая мощность зависит от множества факторов, включая площадь крыльев.
Так, человек, как бы быстро он ни махал руками, не сможет взлететь — площадь его рук слишком мала, и тело просто не способно выдать ту мощность, которая позволила бы ему подняться в воздух.
Тело птицы способно на это, но только до определенных пределов. С увеличением массы мощность, необходимая для поднятия этой массы в воздух, растет быстрее, чем мощность, которую птица может выдать в полете. Если построить график зависимости этих мощностей от массы тела, то в какой-то момент мощность, необходимая для полета, превысит реальную полетную мощность птицы. Расчеты показывают, что эти линии пересекутся при массе 12 кг.
Секрет воробьиной мощи
Тем не менее, не все птицы такие маломощные. Существует одна группа, которая нашла довольно изящный способ обойти ограничение массы для машущего полета — это воробьиные. Они, похоже, решили: а что, если немного повысить собственную температуру тела, а вместе с ней и BMR? Уровень обмена воробьиных птиц в 1,65 раза выше, чем у других!
Таким образом, дрозд, относящийся к воробьиным, мощнее перепела более чем в полтора раза. Это означает, что его полет, требующий те же 12 BMR, как и у других птиц, в абсолютных величинах будет более чем в полтора раза «мощнее» и сможет поднять в воздух большую массу. Но почему же тогда нет гигантских воробьев?
Дело в том, что птицы — это существа не только летающие, но и бегущие, насиживающие яйца и т. д. Чем лучше птица летает, тем хуже она справляется с другими задачами. Вспомните стрижей — они летают идеально, но, упав с ветки на землю, не могут взлететь: их ноги слишком слабы, а крылья слишком длинные. Сравните их с ласточками, которые очень похожи на стрижей, но на самом деле являются родственниками воробьев. Строго говоря, ласточки должны летать хуже стрижей. Однако благодаря воробьиной «избыточной» мощности они нивелируют этот разрыв и оказываются лучше стрижей во всем остальном — например, ласточки могут взлетать с земли.
В некотором смысле воробьиные птицы являются воплощением старой инженерной шутки: «Аэродинамику придумали те, кто не умеет строить мощные двигатели; с мощным двигателем и забор полетит». Избыточную мощность они тратят на адаптацию к другим экологическим нишам, а не на увеличение размеров — не случайно воробьиных птиц в мире больше, чем всех остальных видов птиц вместе взятых.
Что касается планирующего полета, то даже самые крупные птицы-планеры не достигают и центнера. На это есть две причины.
Во-первых, ограниченность доступных мест обитания. Полет — не самая «дорогая» активность птиц по шкале BMR. Так, если полет требует 12 BMR, то взлет с земли — 16. Наблюдая за голубями во дворе, можно заметить, что именно по этой причине они гораздо охотнее стартуют, спрыгивая с крыш или проводов, а не с земли.
А кондору, самой крупной из ныне живущих планирующих птиц, для взлета требуется 40 BMR, даже несмотря на его огромные широкие крылья. Из-за большой массы тела птицам-планерам очень трудно взлетать с земли, поэтому они вынуждены стартовать, прыгая с высоты. Именно поэтому кондоры обитают в Андах, где много подходящих уступов.
Во-вторых, крылья птиц состоят из перьев, которые постепенно изнашиваются, поэтому их нужно регулярно менять. Линька требует значительных затрат энергии, и в этот период птицы становятся уязвимыми к различным заболеваниям, поэтому стараются ускорить этот процесс.
Некоторые, например, утки, сбрасывают маховые перья сразу и на несколько недель теряют возможность летать. Однако не все птицы могут позволить себе такую роскошь, поэтому у большинства пернатых маховые перья меняются постепенно. Чем крупнее птица, тем длиннее ее маховые перья, и тем дольше длится линька, а значит, тем дольше она остается уязвимой.
Таким образом, прототип мифической птицы Рух должен был бы обладать планирующим полетом, жить в высоких горах для возможности взлета, потреблять огромное количество пищи и иметь кожистые крылья, чтобы избежать необходимости линять. Если рассматривать какое-либо реальное существо в качестве прототипа Рух, стоит обратить внимание на птерозавров — их крылья были кожистыми, что избавляло их от проблем с оперением, позволяя достигать гораздо больших размеров.
Таким образом, мы живем в мире, где стереотипные драконы выглядят более реалистично, чем гигантские птицы. Так и есть.