Задняя конечность птиц как орган двуногой локомоции
На правах рукописи
Зиновьев Андрей Валерьевич
ЗАДНЯЯ КОНЕЧНОСТЬ ПТИЦ
КАК ОРГАН ДВУНОГОЙ ЛОКОМОЦИИ
03.00.08 – зоология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва – 1999
Работа выполнена на Кафедре зоологии позвоночных животных и общей экологии
Биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ло моносова НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
профессор, доктор биологических наук Ф. Я. ДЗЕРЖИНСКИЙ ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
профессор, доктор биологических наук П.П. ГАМБАРЯН канд. биол. наук А.Н.КУЗНЕЦОВ ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:
Палеонтологический институт РАН, г. Москва
Защита состоится «»1999 в _ часов на заседании диссертационного совета Д 053.05.34 Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ПСП, В-234, Воробьевы горы, МГУ, Биологический факультет
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ
Автореферат диссертации разослан «_»
Ученый секретарь Л.И.Барсова диссетационного совета Введение Актуальность проблемы Для морфологов давно стал очевидным тезис о необходимости трактовать мор фологию животных в единстве с конкретными условиями их существования. Он нашел отражение в комплексном эколого-морфологическом подходе к изучению видов, зало женном в работах русских и советских морфологов-эволюционистов В.О. Ковалевского, А.Н. Северцова, И.И. Шмальгаузена и развитом в приложении к задачам изучения птиц известным советским орнитологом К.А. Юдиным. При таком подходе на первый план выдвигается изучение адаптаций животных как главной движущей силы и содержания эволюционных преобразований и достигаемое на этой основе понимание морфоэкологи ческой специфики таксона.
Успех эколого-морфологического исследования в очень большой степени зависит от уровня предварительной разработки сравнительной и функциональной морфологии, общих принципов функционирования тех экологически важных узлов организма, кото рые избраны в качестве модельного объекта. Скелетно-мускульная система в наиболь шей степени благоприятна для такого подхода. Первичные факты, относящиеся к ее ап паратам, легко доступны не только для наблюдения (в отличие от электрических и био химических взаимодействий, лежащих в основе функционирования нервной системы, органов чувств и т. д), но и для логически обоснованной функциональной интерпрета ции, поскольку механическое функционирование упомянутых аппаратов в значительной мере определяется их топографическими особенностями. Разобравшись в конструкции того или иного узла скелетно-мускульной системы, мы можем более или менее надежно предсказать его принципиальные функциональные возможности, а проверка наблюдени ем поможет определить экологическую значимость предполагаемых функций. Если че люстной и подъязычный аппараты изучены в этом плане хорошо (Дзержинский, 1972;
Корзун, 1978), то задние конечности – значительно хуже. Этим и объясняется актуаль ность их сравнительно-анатомического и биомеханического изучения.
Цель и задачи исследования Настоящее исследование представляет собой попытку д е т а л ь н о й р а з р а ботки сравнительной и функциональной морфологии задних ко нечностей птиц и некоторых общих вопросов их биомеханики с целью повышения эффективности и достоверности результатов морфо-экологического метода в изучении адаптивной эволюции аппарата двуногой локомоции птиц.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
• обобщить и систематизировать сравнительно-анатомические данные по задним ко нечностям птиц:
- выполнить тщательный исторический обзор литературы;
- дать подробное остеологическое, артрологическое и миологическое описа ние;
- установить синонимию в названиях;
- номинативно упорядочить требующие того детали анатомии.
• разработать биомеханическую модель задней конечности птиц.
• проследить цепь конкретных адаптаций, обусловивших приобретение задними ко нечностями птиц характерного общего морфо-функционального облика.
• применить морфо-экологический метод для выявления ключевых локомоторных адаптаций конкретных групп птиц.
Научная новизна работы В настоящей работе впервые столь широко и на столь детальном уровне разрабо тана сравнительная и функциональная морфология аппарата двуногой локомоции птиц как ценного источника информации об одном из важных аспектов их морфо экологической специфики. Для анализа собранного, систематизированного и сделанного доступным для эффективного использования в современных исследованиях уникального по широте охвата литературных источников (отрезок в 400 лет) сравнительно анатомического материала впервые разработаны приемы функционального анализа зад ней конечности птиц, основанного на морфологических данных. При этом для расшиф ровки механических свойств и возможностей задней конечности при данной ее конст рукции использована последовательная биомеханическая модель с применением статики (раздела теоретической механики) в графической интерпретации. Указанный метод, опираясь на ясную и строгую систему заключений, позволил отказаться от неясных умо зрительных толкований, содержащихся в литературе по функциональной морфологии задних конечностей птиц, и, что особенно важно, позволил показать процесс приобрете ния ими морфо-функционального облика в виде цепи конкретных адаптаций. В ходе анализа этой цепи даны оригинальные объяснения функции антитрохантера, подвздош новертельных и малоберцовых мышц, подколенного мускула. Вскрыты причины обра зования медиально отогнутой шейки бедра, каудального разворота и ослабления лобко вых костей, мощного развития комплекса заднебедренных мышц. Открыты: механизм стабилизации интертарзального сустава и уникальный механизм, позволяющий Oscines ограничивать сгибание плюсно-фалангового сустава. Показаны причины формирования конкретных конфигураций птичьих стоп и типов взаимодействия конечных сухожилий глубоких сгибателей пальцев (разработана схема их генезиса). Впервые предложено объяснение причин последовательного объединения конечного сухожилия длинного ма лоберцового мускула с сухожилиями прободенного, а также прободающего и прободен ного сгибателей 3-го пальца. И, наконец, получены новые результаты апробации на кон кретных группах комплексного морфо-экологического подхода, опирающегося на раз работанную в настоящем труде сравнительную и функциональную морфологию аппара та двуногой локомоции птиц. Были вскрыты ключевые локомоторные адаптации Ку кушко- и Воробьинообразных, а также получены указания на доселе неизвестные пред ковые стадии в эволюции якан и трогонов.
Теоретическое и практическое значение Обобщенные в работе обширные литературные данные по сравнительной и функциональной морфологии аппарата двуногой локомоции птиц систематизированы на современном уровне и сделаны доступными для исследователей. Показана ценность биомеханического анализа как строгой и ясной системы рассуждений для оценки прин ципиальных функциональных возможностей аппарата двуногой локомоции птиц, спо собной приносить интересные и убедительные результаты в рамках комплексного эко лого-морфологического подхода к изучения адаптации видов и таксонов.
Полученные в результате исследования данные по сравнительной анатомии и функциональной морфологии аппарата двуногой локомоции птиц представляют интерес для широкого круга морфологов и могут быть изданы в качестве справочника, а также быть использованы в курсах лекций по сравнительной анатомии и эволюции позвоноч ных.
Апробация Основные результаты и положения предлагаемой работы были доложены на се минаре в Музее Естественной Истории Канзасского университета (University of Kansas Museum of Natural History, Lawrence, USA, 1996) и на заседаниях кафедры зоологии Тверского государственного университета (Тверь, 1997, 1998).
Структура и объем работы Диссертация состоит из Введения, 8 глав и Заключения (235 страниц текста);
со держит 2 таблицы и 42 рисунка. Список литературы включает 451 наименование, из них 385 на иностранных языках.
Содержание работы Глава 1. Исторический обзор Анатомия задних конечностей птиц изучается уже более 400 лет (начиная с Belon, 1555). Большинство работ принадлежит перу зарубежных исследователей, причем рас цвет исследований в этой области в прошлом веке связан с именами немецких (Tiedemann, Langer, Gadow, Frbringer), английских и американских исследователей (Owen, Haughton, Garrod, Forbes, Watson, Weldon, Mitchell, Beddard, Parker, Shufeldt). В первой половине текущего столетия немецкие ученые заложили основу морфо функционального изучения задних конечностей птиц (Dabelow, Scharnke, Stolpe, Steinbacher). Обширный анатомический материал накоплен во второй половине XX сто летия американскими учеными (Hudson, Lanzilotti, Berger, Miller, Engels, Raikow, Swierczewski, Maurer, McKitrick, Borecky), большинство из которых, к сожалению, по дошло к анализу полученных данных со строго формалистических позиций (цифровой или нумерический анализ, кладистика). Значительный вклад в понимание биомеханики бега внесли работы Алекзэндера (Alexander) с соавторами. Среди работ отечественных авторов, приходящихся в основном на 2-ю половину ХХ столетия и отличающихся по вышенным вниманием к морфо-функциональному анализу, внимания заслуживают та ковые Усенко, Курочкина, Сыча, Богдановича и Кузнецова.
Глава 2. Материал и методы исследования Материалом для работы послужили зафиксированные в формалине или спирте тазовые конечности 20 видов птиц из 12 отрядов (Struthio camelus L., Dromaius novaehollandiae Lath., Gallus gallus bankiva L., Geranospiza caerulescens Vieillot, Circus cyaneus L., Jacana spinosa L., Columba livia L., Micropsitta finschii Ramsay, Caprimulgus europaeus L., Centropus sinensis Stephens, Priotelus temnurus Temminck, Eurystomus glaucurus Mller, Eurylaimus javanicus Horsfield, Coloeus monedula L., Melanocorypha leucoptera Pall., Riparia riparia L., Fringilla coelebs L., Loxia curvirostra L., Phylloscopus trochilus L., Turdus pilaris L.).
Препарирование осуществлялось под бинокуляром МБС-1. Для выявления мел ких мышц и определения характера перистости использовался метод окрашивания вай гертовской разновидностью раствора Люголя. Упрощенная биомеханическая модель задних конечностей модельного объекта - дикой банкивской курицы - была проанализи рована при помощи построений, представляющих собой графический анализ статики и хорошо показавших себя при анализе биомеханики скелета млекопитающих (Kummer, 1959) и изучении челюстного аппарата птиц (Дзержинский, 1972) и млекопитающих (Никольский, 1997).
Глава 3. Терминология В нашей работе мы следовали терминологии, принятой в Nomina Anatomica Avium (NAA) (Baumel et al., 1979). Это не значит, что мы склонны ее безоговорочно принять. Просто слишком частая смена названий, даже в соответствии с современными представлениями об онтогенезе и гомологии мышц, может привести к затруднениям в восприятии предшествующих источников. Предложено некоторое количество новых анатомических терминов.
Глава 4. Анатомическое описание В этой главе приводится мобилизованная на современном уровне уникальная по широте охвата материала синонимическая и сравнительно-анатомическая информация по задним конечностям птиц с особым вниманием к деталям, интересным с точки зрения функционального анализа. Среди рекомендаций и предложений, основанных на анализе столь обширного материала, здесь должны быть упомянуты следующие. M.
iliotrochantericus medialis, вопреки общепринятым представлениям присутствует практи чески у всех исследованных к настоящему времени птиц, но у многих сливается с более мощными синергистом – m. iliotrochantericus cranialis, или, реже, с m. iliotrochantericus caudalis. Традиционное деление m. obturatorius lateralis на две части вносит большую пу таницу в описательную часть и должно быть опущено. Подобную же путаницу вносит обозначение некоторыми авторами (Hudson et al., 1959, 1969, 1972;
Fleming, 1966;
Hoff, 1966;
Курочкин, 1968;
Schreiweis, 1982;
Богданович, 1997) дистальной головки m.
femorotibialis externus как целого мускула, в то время как его реальная проксимальная часть объединяется ими с таковой m. femorotibialis medius, несмотря на неизменное су ществование границы между ними – общего начального апоневроза. Для описания мышц голени, лучшего понимания их перистости и взаимного расположения рациональ но использовать 6 общих начальных апоневрозов (aponeuroses originales communes musculorum cruris), присутствие, границы изменчивости и достаточность которых опре делены на обширном сравнительном материале. Это – общий начальный апоневроз пет ли (aponeurosis communis ansae), общий коллатеральный (aponeurosis communis collateralis), общий подколенный (aponeurosis communis poplitea), общий фибулярный (aponeurosis communis fibularis), общий латеральный (aponeurosis communis lateralis) и общий краниальный начальные апоневрозы (aponeurosis communis cranialis). В качестве рационального решения "проблемы коротких разгибателей 3-го пальца" было бы разум но мускулам, появляющимся у представителей некоторых таксонов латеральнее и меди альнее m. extensor brevis digiti 3 и в исходном виде найденным только у серого лесного козодоя (Nyctibius griseus), давать названия латерального (m. extensor digitorum brevis lateralis) и медиального коротких разгибателей пальцев (m. extensor digitorum brevis medialis), соответственно.
Глава 5. Некоторые общие вопросы биомеханики задних конеч ностей птиц В качестве объекта для общей модели была использована задняя конечность бан кивской курицы (Gallus g. bankiva) как более или менее генерализованный вариант кон струкции, а в качестве биологически ответственных ситуаций взят набор поз, возни кающих в различные моменты фазы опоры при движении птицы шагом с постоянной скоростью – в начале этой фазы, тотчас после момента наступания, далее, в середине, когда проекция центра масс на грунт совпадает с точкой опоры, и, наконец, в конце толчка. Для построения последовательной модели в качестве более или менее строгой системой рассуждений была использована статика (первый раздел теоретической меха ники) в графической интерпретации. В упрощенную механическую модель локомотор ного аппарата были включены таз, бедренная кость, tibiotarsus, а также фаланги 3-го пальца. Свободная конечность рассматривалась в модели как плоское образование: сус тавам между ее звеньями приписана способность к взаимному вращению около четко определенных поперечных осей. В отличие от них сферический тазобедренный сустав имеет точку вращения и потому рассматривался в трехмерном пространстве. Использо ванные в модели 9 мышц (m. iliofibularis, m. flexor cruris medialis, m. puboischiofemoralis, m. iliotrochantericus caudalis, m. iliofemoralis extermus, m. iliotibialis lateralis, m.
femorotibialis medius, m. gastrocnemius medialis и m. flexor digitorum longus представлены ради упрощения только векторами сил сокращения. В результате рассмотрения конечно сти в трех различных позах и при нескольких стандартных вариантах нагрузки оказа лось, что использованный графический метод весьма чувствителен к геометрическим особенностям исследуемой системы. Тонкими особенностями механической ситуации определяется состав мышц, от которых можно ожидать эффективного участия в воспри ятии нагрузки конечностью. Благодаря этому предложенная модель обещает служить ценным подспорьем в выявлении специфического для разных видов – обладателей раз личной геометрии аппарата наземной локомоции – характера морфофункциональных связей, а также непосредственных следствий каждого конкретного варианта конструк ции этого аппарата. Специфичность набора мышц, способных эффективно участвовать в передаче сил для конкретных вариантов позы и нагрузки, делает понятными множест венность отдельных мышц, различных по мелким деталям ориентации и пунктов креп ления на частях скелета.
Весьма интересный частный результат анализа биомеханической модели – полу ченное истолкование подвздошно-вертельных мышц (mm. iliotrochanterici) в качестве пронаторов конечности. Прежде этим загадочным структурам чаще всего приписывали роль ретракторов бедра, участвующих в выполнении толчка, вопреки ничтожной вели чине или даже отсутствию плеча относительно тазобедренного сустава в сагиттальной плоскости. Смещение этого сферического сустава в медиальном направлении относи тельно плоскости, в которой лежит стержень бедренной кости, несомненно дестабили зировало ее подвижность. Адаптивная роль этого смещения понятна: благодаря ему уси лия мышц тазобедренного сустава приобрели абдукционный момент и тем самым – спо собность контролировать этот сустав в поперечной плоскости, нейтрализовать тенден цию крена туловища при опоре на одну ногу. Одновременно благодаря обычно имею щему место каудальному наклону большинства этих мышц возникает и ротационный (супинационный) момент, которого шаровидный сустав подавить не может. Частично проблема решена за счет распространения области сочленения на антитрохантер, при давшего суставу элементы конической формы с четко намеченной поперечной осью вращения. Но для вполне надежного установления поперечной оси вращения бедра по надобился мышечный контроль положения латерального конца шейки бедра, который и осуществляется прикрепленными здесь подвздошно-вертельными мышцами.
Глава 6. Морфо-функциональный облик тазовой конечности птиц как результат цепи конкретных адаптаций в их эволюции Характерная для птиц адаптация к двуногой локомоции, по данным палеонтоло гии, значительно «старше» приспособления к полету (Ostrom, 1976). На стадии архозав ровых предков птиц были приобретены бипедалия и парасагиттальные конечности. Бед ро приблизилось к лобковым костям, сделав крепившиеся на них протракторы (mm.
puboischiofemorales internus et externus) неэффективными, а аддукторы (mm. adductores) и вовсе ненужными (Romer, 1923;
Charig, 1972). Функцию протракции бедра приняла на себя распространившаяся краниально преацетабулярная часть m. iliotibialis, а аддукторы, утратившие свою роль в сопротивлении силе тяжести, присоединились к взявшим на се бя эту роль ретракторам бедра – мышцам заднебедренного комплекса (m. iliofibularis, m.
ischiofemoralis, m. iliofemoralis, m. caudofemoralis, mm. flexores cruris lateralis et medialis).
Появление отогнутой медиально головки бедра позволило придать заднебедренным мышцам роль абдукторов, препятствующих провисанию таза (пассивной аддукции бед ра) при опоре на одну конечность. Благодаря каудальному наклону мышцы заднебед ренного комплекса оказывают на бедро также и супинирующий эффект. Проблема по давления его частично решена за счет распространения области сочленения на антитро хантер, придавшего суставу элементы коническую форму с четко намеченной попереч ной осью вращения, и частично – за счет мышечного контроля (у птиц – это подвздош но-вертельные мышцы). Удлинение метатарзалий с образованием цевки придало конеч ности экономичность Z-образного трехзвенника (Kuznetsov, 1995, Кузнецов, 1999), уменьшение момента инерции которого было достигнуто проксимальным смещением основной массы управляющих им мускулов и передачей их усилий на дистальные отде лы посредством длинных и тонких сухожилий. Мощное развитие передних конечностей и редукция хвоста в рамках ключевой адаптации птиц к полету сместили центр масс да леко вперед от тазобедренного сустава. Каудальное распространение грудных мышц и органов брюшной полости, направленное на ограничение краниальной миграции центра масс, а также откладка крупных яиц, привели к каудальному развороту, размыканию и истончению лобковых костей, уже свободных от крепления протракторов и аддукторов бедра и призванных теперь оптимизировать крепление теснимых грудиной мышц брюшного пресса. Бедренная кость птиц приводится в более протрагированное, чем у архозавров, положение, что помещает на линию вертикальной проекции сместившегося краниально центра масс коленный сустав. Необходимость поддержания ротационной свободы в ставшем по сути дела местом подвески конечности бедренном суставе с одно временным контролем строгости движений при опоре на одну конечность, приводят к появлению специализированных ротаторов тибиотарзуса – m. femorotibialis externus pars distalis, m. femorotibialis internus и m. popliteus. Сохраняющий присущее еще рептилиям двойственное крепление длинный малоберцовый мускул, помимо своей основной функ ции – сгибания интертарзального сустава (через короткую веточку конечного сухожи лия), – оказывает помощь прободенному сгибателю 3-го пальца в момент толчка, когда 3-й палец должен противостоять наивысшей разгибательной нагрузке (а его базальный сустав находится в переразогнутом состоянии). Отсюда становится понятным наличие связи между прободенным сгибателем и прободающим и прободенным сгибателем 3-го пальца – винкулюма – в момент толчка он обеспечивает согласованное действие на 2-ю и 3-ю фаланги означенного пальца сразу трех мышц. Очевидна и функция короткого ма лоберцового мускула – пронируя цевку, он приводит к закручиванию, а значит и укоро чению связок интертарзального сустава, в особенности lig. anticum, благодаря Х образному расположению ее волокон. Это позволяет вжимать мыщелки тибиотарзуса в суставные ямки на цевке, формируемые при участии хрящевых менисков, которые, из-за своей подвижности относительно цевки, сохраняют конгруэнтность сустава при прона ции. Наличие подвижных менисков делает интертарзальный сустав достаточно свобод ным для ротационных движений, обеспечивающих расширение спектра использования задней конечности. В то же время, натяжение суставных связок, вызванное пронацией цевки посредством короткого малоберцового мускула, стабилизирует сустав, повышая строгость движений в нем. Подобный механизм стабилизации интертарзального сустава с помощью короткого малоберцового мускула можно считать исходным для птиц. При переходе к формам локомоции, связанным с однообразным (маятникообразным) движе нием задних конечностей с сохранением или даже увеличением нагрузки на интертар зальный сустав, когда ротация стопы не нужна и даже вредна, поскольку нарушала бы строгость движений (бег, ходьба по однообразному субстрату, специализированная гребля поганок), указанный сустав стабилизируется туго натянутыми коллатеральными связками, исключающими в нем всякую ротационную подвижность. В этом случае m.
fibularis brevis теряет свою функцию и исчезает (Struthioniformes, Rheiformes, Casuariformes, Podicipediformes, Scopidae, Ciconiidae, Threskiornithidae, Phoenicopteridae, Aramidae, Otididae, Burhinidae, Rostratulidae, Haematopodidae, Charadriidae, Scolopacidae, Recurvirostridae, Chionididae). Он исчезает также в случае, когда нагрузка на сустав столь минимальна, что тот не нуждается в дополнительной стабилизации (Glareolidae, Sterninae, Rhynchopidae, Pterocletidae, Caprimulgidae).
Подведение конечностей под тело у архозавров привело к тому, что основная на грузка при толчке стала ложиться на центральные пальцы – 3-ий и соседние с ним 2-й и 4-й. 5-ый палец постепенно исчез, а 1-ый у наиболее вероятной предковой для птиц группы – Theropoda – был, в противоположность птицетазовым динозаврам, противо поставлен передним. Таким образом, в исходной для птиц а н и з о д а к т и л ь н о й стопе противопоставление 1-го пальца свидетельствует о ранней адаптации стопы к охватыва нию ветвей (или схватыванию жертвы), а численное преобладание направленных вперед пальцев – об адаптации к выполнению толчков, т. е. к бегу и прыжкам, усилие при кото рых может передаваться только через передние пальцы. Противопоставление 1-го паль ца передним трем, по-видимому, уже у архозавровых предков птиц обусловило расщеп ление единого длинного сгибателя пальцев на длинный сгибатель передних пальцев и длинный сгибатель заднего пальца. Между их конечными сухожилиями сохранилась связь посредством сухожильной перемычки vinculum tedineum flexorium, неравноцен ность которой (изолированное сокращение длинного сгибателя заднего пальца приводит к сгибания всех пальцев) объясняется более выгодным топографическим расположением брюшка упомянутого мускула и необходимостью избежать ненужного сгибания заднего пальца при толчке. Близка к анизодактильной и не всегда достоверно отличима от нее с и н д а к т и л ь н а я стопа, в которой слияние оснований передних пальцев приводит их в плоскость, перпендикулярную продольной оси ветви, так что вместе с задним пальцем они все (а не только 3 палец) формируют эффективное охватывающее кольцо. Такая стопа характерна для многих древесных птиц (Caprimulgidae, Bucerotidae, Phoeniculidae, Upupidae, Todidae, Momotidae, Meropidae, Alcedinidae, Eurylaimidae, Dendrocolaptidae, Furnariidae, Formicariidae, Pipridae, Hirundinidae, Troglodytidae, Mimidae, Bombycillidae, Vangidae, Vireonidae). З и г о д а к т и л ь н а я конфигурация, при которой 1-й и 4-й пальцы направлены назад, а 2-й и 3-й – вперед, эволюционировала также как приспособление для охвата ветвей. У попугаев, кукушковых и примитивных дятлообразных зигодакти лия объединяет пальцы в равноценные группы и тем самым составляет из них макси мально эффективную «клешню». Толчком к приобретению зигодактилии, по-видимому, послужила адаптация к свешиванию с ветки вперед, чтобы дотянуться до насекомого или плода. При лазании, зигодактильная стопа дятлов (Picidae) и дятловых попугайчиков (Micropsitta) преобразуется в э к т р о п о д а к т и л ь н у ю за счет поворота 4-го пальца на линию главного натяжения, возникающего при подвешивании тела к стволу при помощи когтя. Семизигодактильная стопа Pandionidae, Musophagidae, Strigidae, Leptosomatidae, в которой 4-й палец может переводиться из краниального анизодактиль ного положения в каудальное зигодактильное, обеспечивает возможность попеременно го использования двух конфигураций пальцев, что повышает функциональный потенци ал стопы. Отведенный латерально 4-й палец позволяет турако охватывать ветвь при пе редвижении вдоль нее, а расположенные симметрично пальцы сов и скопы позволяют надежно охватить наибольший участок тела скользкой или верткой жертвы в условиях плохой видимости и вне зависимости от положения последней. Альтернативой зигодак тильной охватывающей стопе служит г е т е р о д а к т и л ь н а я стопа трогонов, в которой 1-й и 2-й пальцы направлены назад, а 3-й и 4-й – вперед. Уникальность конфигурации объясняется особыми сценарием ее приобретения (см. гл.7). П а м п р о д а к т и л ь н а я стопа, в которой все 4 пальца направлены вперед, причем 1-й палец лежит медиальнее 2 го (Apodidae, Steatornithidae, Micropsitta при карабкании), является приспособлением для подвешивания, ибо все пальцы эффективно противостоят силе, стремящейся оторвать птицу от вертикальной поверхности. Стопа птиц-мышей, в которой перемещением 1-го и 4-го пальцев последовательно достигаются анизо-, зиго- и пампродактильные конфи гурации, заслуживает особого названия – в а р и о д а к т и л ь н а я стопа (от лат. varius – разный, различный, разнообразный и греч. dactylus – палец). В ход пускается наиболее эффективная конфигурация в отношении объекта схватывания в данный момент. Исчез новение заднего пальца (некоторые Tinamiformes, Rheiformes, Casuariiformes, некоторые Diomedeidae, Pelecanoididae, Turnicidae, Otididae, Haematopodidae, некоторые Charadriidae, Burhinidae, некоторые Laridae и Alcidae, некоторые Pteroclididae) в связи с потерей им биологической роли (приспособление к бегу или утрата стопой функции ох вата), а также необходимость облегчения дистальных звеньев конечности привели к об разованию тридактильной стопы. Этими же причинами вызвана редукция и 2-го пальца в дидактильной стопе Struthio camelus, Ergilornithidae). Однажды эволюционировав в связи с какой-либо адаптацией, упомянутые конфигурации пальцев стопы могут быть использованы и для других, и упомянутая адаптация, в свою очередь, может быть дос тигнута разными путями. Поэтому мы предлагаем при рассмотрении задних конечно стей птиц отказаться от простой их подгонки под ту или иную функциональную катего рию (плавательные, ходильные, бегательные и т. п.). Более рациональным и ин формативным представляется путь, в котором прежде всего указывается предполагаемая предковая конфигурация, а затем причины и характер изменений, приведших к совре менному состоянию. Типы взаимодействия конечных сухожилий длинных сгибателей пальцев связаны не только с упомянутыми конфигурациями пальцев стопы, но и со спо собом использования каждой конкретной конфигурации.
С некоторыми изменениями (Vd, X и XII типы следует рассматривать как вариации в Рис.1. Генезис типов взаимодействия ко рамках I типа;
тип Vc, ошибочно выделенный нечных сухожилий длинных сгибателей пальцев у птиц Гадовым (Gadow, 1896) для колибри, целесообразно заменить на имеющийся у Coraciiformes, включая сюда и IX подтип Га дова) мы предлагаем сохранить классификацию, предложенную Гадовым. Все 12 выде ленных им типов восходят к I-му (рис.1).
Глава 7. Опыт морфо-функционального анализа задних конеч ностей некоторых групп птиц в приложении к вопросам их эво люции Вторичен ли удлиненный 1-ый палец якан?
Сухожилие короткого сгибателя заднего пальца у яканы перехватило продолже ние сухожилия его длинного сгибателя, потерявшего связь со своим мускулом. Только Jacanidae среди Charadriiformes обладают нормально развитым 1-м пальцем, в остальных же семействах он либо отсутствует (Haematopodidae, Burhinidae), либо слаб и имеет тен денцию к исчезновению (все остальные). Редукция заднего пальца в отряде сопровожда ется утратой связи конечного сухожилия длинного сгибателя 1-го пальца с его рудимен том, причем таковое зачастую опережает полную утрату пальца (Stercorariidae, Laridae, Alcidae) (Hudson et al., 1969). M. flexor hallucis brevis, напротив, сохраняется даже в слу чае полного исчезновения заднего пальца (Alcidae). По-видимому, задний палец предка якан претерпел редукцию, типичную для большинства современных Ржанкообразных, а необходимость увеличения площади опоры при освоении новой кормовой территории на плавающей растительности, потребовала от них его восстановления. M. flexor hallucis brevis, единственный сгибатель, сохранивший к тому времени связь с 1-м пальцем, при нял на себя всю полноту его обслуживания. При этом задний палец якан приобрел необ ходимую независимость от передних пальцев в принятии нагрузки.
Морфо-функциональные аспекты гетеродактилии трогонов Вопрос о причинах возникновения гетеродактилии поднимался в работах про шлого (Bock & Miller, 1959), но убедительной и интересной функциональной трактовки связанных с ней морфологических перестроек мускулатуры дистальных элементов ко нечности найдено не было. Сравнительный анализ анатомии стопы трогонов показывает, что разворот 2-го пальца произошел в связи с необходимостью компенсации ослаблен ного 1-го пальца при захвате ветви. Слабый 1-ый палец, а также наличие гребешка на медиальном лезвии когтевого чехла 3-го пальца делают стопу трогона похожей на тако вую представителя Caprimulgidae. Это позволяет предположить, что предложенной Кор зуном (1996) в эволюции трогонов стадии адаптивных преобразований с ключевой адап тацией к питанию плодами, срываемыми с подлета, и не объясняющей ослабления 1-го пальца, предшествовала козодоеподобная стадия (рис.2). Предок охотился на летающих Б насекомых, наиболее доступных для воздушной П охоты в подпологовом пространстве А тропического леса (А) и затем присаживался (вдоль или поперек с опорой на цевку) на расположенные тут же толстые ветви (П), которые в силу своей оголенности предостав ляли прекрасные возможности обзора охотничьего пространства. На этой стадии про изошло ослабление 1-го пальца, ставшего Рис.2. Схема, иллюстрирующая процесс непригодным для охватывания ветви. В связи с приобретения трогонами гетеродактилии переходом к фруктоядности птица была вынуждена переместиться в богатые плодами места (Б), что привело к необходимости присаживаться на более тонкие ветви. Это повлекло за собой восстановление утрачен ной хватательной функции, но уже за счет разворота 2-го пальца, который вкупе с 3-м уже у козодоя играет основную роль в фиксации стопы на ветке. С козодоеподобной стадией в эволюции трогонов можно связать и появление щетинкопобных перьев вокруг клюва.
Специфика локомоторной адаптации воробьиных птиц Несмотря на глубочайшую адаптацию воробьиных к жизни в древесных кронах (никак не меньшую, чем у кукушек, попугаев или примитивных дятлообразных), их сто па осталась анизодактильной, и хотя зигодактилия со столь выгодной равноценностью створок "клешни" достигнута не была, зато неравноценность створок была компенсиро вала их лучшей управляемостью. У воробьиных птиц принципиально лучше, чем у большинства других птиц, развиты ядра мозжечка (Renggli, 1967), что освобождает их при движении в кроне от необходимости намертво фиксировать свое тело на ветвях. Они могут прыгать с ветки на ветку, а при прыжках сильнее нагружены передние пальцы, поэтому нет повода к повороту одного их них назад. К тому же в момент толчка перед ними пальцами задний палец не нагружен, а это значит, что он должен быть свободен от автоматического функционального блокирования с передними пальцами (этим, кстати, также может быть объяснено отсутствие винкулюма у большинства воробьиных). Высо кая энергетика обмена (Gavrilov, 1997) поставила воробьиных птиц перед проблемой об легчения тела, которая была частично решена за счет редукции мускулов цевки. Необ ходимостью экономии энергии объясняется также частичное замещение m. extensor hallucis longus эластичной экстензорной связкой и появление lig. metatarsoplantare digiti (см. гл. 8), обеспечивающей автоматической сгибание 3-го пальца при посадке на ветку.
Более того, адаптация к передвижению в кроне прыжками с одновременной опорой на обе конечности позволила воробьиным избавиться от мускулов, работающих при одно опорных стадиях (m. iliofemoralis externus, m. popliteus и m. ambiens). Однако, активное использование конечностей не только для присады, но и для передвижения (даже акро батического лазания как, например, у славковых) в кроне сохранило архаичность уст ройства проксимальных отделов конечности. Это позволило большинству воробьиных (кроме таких специализированных групп, как тиранновые мухоловки и ласточки) спо койно передвигаться и по земле, не меняя при этом характера локомоции. Изменения, связанные с переходом к жизни на земле, затрагивают лишь коготь заднего пальца (Зи новьев, 1992), становящийся выпрямленным и удлиненным. Длина его связана с харак тером субстрата, ибо он увеличивает площадь опоры птицы и позволяет передвигаться по ковру из растительных остатков, не проваливаясь (ср. удлинение когтя 2-го пальца у казуара, 1-го - у Centropus и всех когтей и пальцев у Jacanidae). Сведенные метатарзаль ные блоки, вторично ставшие практически параллельными, а также исходная адаптация конечности к работе в паре, делающая ее неэффективной для устойчивой опоры во вре мя одноопорной стадии, явились причиной сохранения 1-го пальца у бегающих воробь иных (Alaudidae, Motacillidae). Он обеспечивает стопе большую площадь опоры, а, зна чит, и устойчивость при одноопорной стадии. Можно также допустить, что у глубоко адаптированных к жизни в кроне птиц, каковых представляют собой воробьиные, на ре дукцию 1-го пальца был наложен исходный запрет, связанный с необходимостью на дежного обхватывания ветвей.
Специфика локомоторных адаптаций турако и кукушек Сравнительно-анатомический анализ строения тазовых конечностей показывает, что турако, по-видимому, являются наиболее примитивными в отряде. Об этом говорит самый полный среди Кукушкообразных набор мускулов задней конечности (Berger, 1960), а хорошее развитие m. iliofemoralis externus, постацетабулярной части m.
iliotibialis lateralis, m. ambiens, m. fibularis longus и m. popliteus указывают на великолеп ные беговые качества и способность к использованию при передвижении одноопорной стадии. И действительно, турако исключительно легко бегают по ветвям, а направлен ный латерально в рамках семизигодактилии 4-ый палец обеспечивает их надежный ох ват. Большинство представителей Кукушковых использует способность к бегу по спу танной растительности (удлиненный и напоминающий шпору коготь 1-го пальца шпор цевых кукушек увеличивает площадь опоры стопы, тем самым создавая более надежную опору при передвижении по «ковру» из густо переплетенных ветвей кустарника), для поиска и выпугивания добычи (отсюда та легкость, с которой кукушки переходят к бегу по земле без изменения конструкции локомоторного аппарата, например, в случаях с Coua spp., Geococcyx californianus). Однако, постоянство зигодактилии, отсутствие m.
iliofemoralis externus и исчезновение винкулюма указывают на большую специализиро ванность кукушек, чем турако, к поперечному охвату ветви. Локализовав пищевой объ ект, кукушка тянется к нему, и направленные назад 1-й и 4-й пальцы обеспечивают эф фективное противостояние силе тяжести, стремящейся повернуть птицу вокруг оси вет ви вниз головой. Ослабление постацетабулярной части m. iliotibialis lateralis, исчезнове ние m. iliofemoralis, а также слабость m. fibularis longus у рода Cuculus (Berger, 1960) яв ляются показателем отсутствия в их локомоции бега. Они избрали иную тактику охоты, при которой добыча высматривается птицей, неподвижно сидящей на ветке. Такая так тика эффективна в осветленных лесах с относительно многочисленным и однообразным сезонным кормом (Мальчевский, 1987).
Глава 8. Автоматические механизмы Адаптация к полету и, как следствие, требования высокой удельной мощности накладывают ограничения на увеличение веса тела у птиц. Поэтому для обеспечения ло комоции они широко используют так называемые автоматические механизмы, действие которых осуществляется или вообще без использования силы мускулов, или за счет ра боты мускулов мускулов, не связанных прямо с функционирующей системой, причем автоматизм дает экономию как на аппарате управления, так и по затратам времени, ибо позволяет одним общим импульсом вызвать функциональный ответ нескольких систем.
Задние конечности, наряду с челюстным и летательным аппаратами птиц, содержат большое число автоматических механизмов. Описываемая в данной работе связка (lig.
metatarsoplantare digiti tertii), обнаруженная у всех исследованных нами Oscines (Зиновь ев, 1993) участвует в автоматическом механизме, уникальное свойство которого заклю чается в его способности ограничивать сгибание метатарзофалангового сустава. Дело в том, что во время сна на насесте птица может слегка отклониться назад;
в этом случае сила тяжести, пройдет позади метатарзофалангового сустава, угрожая согнуть послед ний, в результате чего птица опрокинется назад. Но его сгибанию препятствует натяже ние обсуждаемой связки, которая одновременно сгибает первый межфаланговый сустав 3-го пальца, прижимая подотеку к насесту и тем самым повышает трение, предотвращая поворот (соскальзывание пальца). Такой механизм, который ограничивает сгибание ме татарзофалангового сустава без сокращения мышц, а значит и без дополнительного нервного контроля, открыт впервые.
Приписываемое ретракторным эластичным связкам участие в замыкании "замка" между сухожилиями глубоких сгибателей пальцев и их сухожильными чехлами (Quinn, Baumel, 1990) вряд ли верно, ибо авторы упускают из вида силу реакции опоры, которая прилагается к вдавливающемуся в нее когтю и тянет сухожилие в обратном направлении с заведомо большей силой, нежели сравнительно слабые связки. Скорее всего, при со кращении длинных сгибателей эластичные связки натягиваются и «раздают» усилие главного сгибательного сухожилия, идущего к когтевой фаланге, маленькими порциями более проксимальным фалангам, тем самым обеспечивая более равномерное прижатие пальца к ветви.
Заключение За более чем 400-летнюю историю изучения задних конечностей птиц было на коплено богатое "поле" фактов. Однако, насколько плодотворным будет "возделывание этого поля", определяется не только богатством его "почвы", но и "способом возделыва ния" и "орудиями труда". Настоящая работа показала, что достаточно богатая "почва" сравнительно-анатомических и экологических наблюдений при комплексном морфо экологическом "способе возделывания" с применением биомеханического "орудия тру да" приносит интересные, а главное, научно-обоснованные результаты при трактовке эволюции и морфологии аппарата двуногой локомоции птиц в связи с конкретными ус ловиями их существования.
Выводы 1. Биомеханическая модель задней конечности птиц, в которой графический анализ распределения сил в условиях равновесия наложен на изображение скелета, представля ет собой инструмент расшифровки функциональных свойств конструкции, чувствитель ный к тонким особенностям морфологии, позы и ориентации внешней силы;
модель де лает понятной множественность отдельных мышц и обещает служить ценным подспорь ем в выявлении непосредственных следствий анатомических различий.
2. Отогнутые медиально шейка и головка бедра помогают активно сопротивляться тен денции крена туловища (пассивной аддукции конечности), порождаемой силой тяжести при опоре на одну конечность. Благодаря медиальному смещению центра тазобедренно го сустава значительный абдукционный эффект приобретают мышцы-ретракторы бедра.
3. Специфические пронаторы бедра – подвздошно-вертельные мышцы – нейтрализуют возникающий наряду с абдукционным, побочный супинационный эффект мышц ретракторов бедра.
4. Короткий малоберцовый мускул в типичных случаях представляет собой специали зированный пронатор цевки;
он позволяет сочетать ротационную подвижность стопы у обладателей широкого спектра ее использования с возможностью временной стабилиза ции интертарзального сустава при высоких нагрузках, сопутствующих энергичной дву ногой локомоции.
5. Типы взаимодействия конечных сухожилий глубоких сгибателей пальцев понятны как видоизменения одного исходного (“первого”) типа, возникшие в связи с необходи мостью обслуживать определенные конфигурации птичьей стопы;
изменчивые короткие разгибатели передних пальцев могут быть сведены к трем исходным мускулам.
6. Первый палец в стопе якан восстановлен из рудиментарного состояния в связи с пе реходом к передвижению на плавающей растительности.
7. В эволюции трогонов стадии адаптивных преобразований с ключевой адаптацией к питанию плодами, срываемыми с подлета, предшествовала козодоеподобная стадия.
8. Ключевая локомоторная адаптация воробьиных предусматривает активное передви жение в кронах прыжками – с исключительной опорой на обе конечности, конструкция которых в связи с этим существенно упрощена.
9. Ключевая локомоторная адаптация турако и большинства кукушек сопряжена с бе гом по ветвям кроны с поочередной опорой на каждую конечность.
Список работ опубликованных по теме диссертации Зиновьев, А.В. О ранее неизвестной связке у воробьиных птиц и о механизме охвата ветви // Зоол. журн., 1993. – Т. 72. – Вып. 4. – С. 146-149.
Зиновьев, А. В. Некоторые адаптивные особенности связочно-мускульной системы зад них конечностей клеста-еловика // Вопросы морфологии и экологии животных. – Тверь, 1997. – С. 48-52.