29.5: Птахи

Навички для розвитку

• Опишіть еволюційну історію птахів
• Опишіть похідні характеристики у птахів, що полегшують політ

Найбільш очевидною характеристикою, яка виділяє птахів серед інших сучасних хребетних, є наявність пір'я, які представляють собою видозмінені лусочки. У той час як хребетні, як кажани, літають без пір'я, птахи покладаються на пір'я та крила, поряд з іншими модифікаціями структури тіла та фізіології, для польоту.

характеристика птахів

Птахи ендотермічні, а оскільки вони літають, їм потрібна велика кількість енергії, що вимагає високої швидкості метаболізму. Як і ссавці, які також є ендотермічними, птахи мають ізоляційне покриття, яке утримує тепло в тілі: пір'я. Спеціалізовані пір'я, звані пуховими пір'ям, особливо ізолюючі, захоплюючи повітря в просторах між кожним пір'ям, щоб зменшити швидкість тепловтрат. Певні частини тіла птаха покриті пуховими пір'ям, а основа інших пір'я має пухову частину, тоді як щойно вилупилися птахи покриті пухом.

Пір'я не тільки виступають в якості ізоляції, але і дозволяють польоту, дозволяючи підйому і тязі, необхідні для того, щоб стати повітряним. Пір'я на крилі гнучкі, тому колективні пір'я рухаються і відокремлюються, коли повітря рухається через них, зменшуючи тягу на крилі. Махові пір'я асиметричні, що впливає на повітряний потік над ними і забезпечує деяку частину підйомної і тягової сили, необхідної для польоту (рис.\(\PageIndex{1}\)). На крилах зустрічаються два види махових пір'я, первинних і вторинних пір'я. Первинні пір'я розташовуються на кінчику крила і забезпечують тягу. Вторинні пір'я розташовуються ближче до тіла, прикріплюються до передпліччя частини крила і забезпечують підйом. Контурні пір'я - це пір'я, знайдені на тілі, і вони допомагають зменшити опір вітру під час польоту. Вони створюють гладку, аеродинамічну поверхню, завдяки чому повітря плавно переміщається по тілу птиці, дозволяючи здійснювати ефективний політ.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Первинні пір'я розташовані на кінчику крила і забезпечують тягу; вторинні пір'я розташовані близько до тіла і забезпечують підйом.

Поплескання всього крила відбувається в першу чергу за рахунок дій грудних м'язів, грудного і надкоракоїдеуса. Ці м'язи високо розвинені у птахів і становлять більший відсоток маси тіла, ніж у більшості ссавців. Вони прикріплюються до лопатеподібної кілі, як у човника, розташованого на грудині. Грудина птахів більша, ніж у інших хребетних, яка вміщує великі м'язи, необхідні для генерування достатньої сили вгору, щоб генерувати підйом з махом крил. Ще одна скелетна модифікація, виявлена у більшості птахів, - це злиття двох ключиць (ключиць), утворюючи фуркулу або поперечний важіль. Фуркула досить гнучка, щоб згинатися і забезпечувати підтримку плечового пояса під час махання.

Важливою вимогою польоту є низька маса тіла. Зі збільшенням маси тіла збільшується м'язовий вихід, необхідний для польоту. Найбільшою живою птахом є страус, і хоча вона набагато менше найбільших ссавців, вона нелітаюча. Для птахів, які дійсно літають, зниження маси тіла полегшує політ. Кілька модифікацій зустрічаються у птахів для зниження маси тіла, включаючи пневматизацію кісток. Пневматичні кістки - це кістки, які порожнисті, а не заповнені тканиною (рис.\(\PageIndex{2}\)). Вони містять повітряні простори, які іноді з'єднані з повітряними мішками, і вони мають підкоси кістки для забезпечення структурного посилення. Пневматичні кістки зустрічаються не у всіх птахів, і у великих птахів вони більш великі, ніж у дрібних. Не всі кістки скелета пневматичні, хоча черепа практично у всіх птахів є.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Багато птахів мають порожнисті, пневматичні кістки, які полегшують політ.

Інші модифікації, що знижують вагу, включають відсутність сечового міхура. Птахи володіють клоакою, структурою, яка дозволяє воді реабсорбуватися з відходів назад в кров. Сечова кислота не виганяється як рідина, а концентрується в уратних солей, які виводяться разом з каловими масами. Таким чином, вода не утримується в сечовому міхурі, що збільшило б масу тіла. Більшість видів птахів мають лише один зав'язь, а не два, ще більше зменшуючи масу тіла.

Повітряні мішки, які поширюються на кістки, утворюючи пневматичні кістки, також з'єднуються з легенями і функціонують при диханні. На відміну від легких ссавців, в яких повітря тече в двох напрямках, при вдиху і виході, повітряний потік через легені птахів рухається в одному напрямку (рис.\(\PageIndex{3}\)). Повітряні мішки допускають цей односпрямований потік повітря, який також створює систему перехресного обміну струмом з кров'ю. У системі перехресного струму або протитечії повітря тече в одному напрямку, а кров тече в зворотному напрямку, створюючи дуже ефективний засіб газообміну.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Пташине дихання - ефективна система газообміну з повітрям, що протікає в однонаправленому напрямку. Під час вдиху повітря проходить з трахеї в задні повітряні мішечки, потім через легені в передні повітряні мішки. Повітряні мішечки з'єднані з порожнистим внутрішнім відділом кісток. Під час видиху повітря з повітряних мішків переходить в легені і назовні трахеї. (кредит: модифікація твору Л.Шямала)

Еволюція птахів

Еволюційна історія птахів досі дещо неясна. Через крихкість кісток птахів вони не скам'яніють так само, як і інші хребетні. Птахи - діапсіди, тобто вони мають дві фенестрації або отвори в черепах. Птахи належать до групи діапсід під назвою архозаври, до складу якої також входять крокодили і динозаври. Прийнято вважати, що птахи еволюціонували з динозаврів.

Динозаври (включаючи птахів) далі поділяються на дві групи, Сауріскія («ящірка як») і орнітіхія («пташиний як»). Незважаючи на назви цих груп, саме пташиноподібні динозаври дали початок сучасним птахам. Швидше за все, Сауріскія розійшлася на дві групи: одна включала довгошийних рослиноїдних динозаврів, таких як Апатозавр. До другої групи, двоногих хижаків, званих тероподами, відносяться птахи. Цей хід еволюції передбачається подібністю між скам'янілостями тероногих та птахів, зокрема в будові кісток стегна та зап'ястя, а також наявністю поперечного плеча, утвореного зрощенням ключиць.

Однією з важливих копалин тваринного проміжного для динозаврів і птахів є Archeopteryx, який з Юрського періоду (Рисунок\(\PageIndex{4}\)). Археоптерикс важливий у встановленні стосунків між птахами та динозаврами, оскільки він є проміжним викопним, тобто має характеристики як динозаврів, так і птахів. Деякі вчені пропонують класифікувати його як птаха, але інші вважають за краще класифікувати його як динозавра. Скам'янілий скелет Archeopteryx схожий на динозавра, і він мав зуби, тоді як птахи цього не роблять, але він також мав пір'я, модифіковані для польоту, риса, пов'язана лише з птахами серед сучасних тварин. Скам'янілості старших пернатих динозаврів існують, але пір'я не мають характеристик махових пір'я.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) Археоптерикс жив у пізньому юрському періоді близько 150 мільйонів років тому. Він мав зуби, як динозавр, але мав (б) махові пір'я, як у сучасних птахів, які можна побачити в цьому викопному.

До сих пір незрозуміло, як саме розвивався політ у птахів. Існують дві основні теорії, деревна («дерево») гіпотеза і земна («земля») гіпотеза. Деревна гіпотеза стверджує, що попередники сучасних птахів, що мешкають на деревах, стрибали з гілки на гілку, використовуючи пір'я для ковзання, перш ніж стати повністю здатними до махає польоту. На відміну від цього, земна гіпотеза стверджує, що біг був стимулом для польоту, оскільки крила могли бути використані для поліпшення бігу, а потім стали використовуватися для махання польоту. Як і питання про те, як розвивався політ, питання про те, як розвивалася ендотермія у птахів, досі залишається без відповіді. Пір'я забезпечують ізоляцію, але це корисно лише в тому випадку, якщо тепло тіла виробляється всередині. Аналогічно, внутрішнє виробництво тепла є життєздатним лише в тому випадку, якщо присутня ізоляція для збереження цього тепла. Було висловлено припущення, що те чи інше - пір'я або ендотермія - еволюціонували у відповідь на якийсь інший виборчий тиск.

Під час крейдяного періоду група, відома як Enantiornithes, була домінуючим типом птахів (рис.\(\PageIndex{5}\)). Enantiornithes означає «протилежні птахи», що відноситься до того, що певні кістки стоп з'єднуються інакше, ніж спосіб з'єднання кісток у сучасних птахів. Ці птахи утворили еволюційну лінію окремо від сучасних птахів, і вони не збереглися повз крейди. Поряд з енантіорнітами в крейді були присутні і птиці орнітурае (еволюційна лінія, яка включає сучасних птахів). Після зникнення Enantiornithes домінуючою птахом стали сучасні птахи, причому велике випромінювання відбувалося в кайнозойську еру. Згадується як Neornithes («нові птахи»), сучасні птахи тепер класифікуються на дві групи, Paleognathae («стара щелепа») або ratites, група нелітаючих птахів, включаючи страусів, еми, реї та ківі, і Neognathae («нова щелепа»), яка включає всіх інших птахів.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Shanweiniao cooperorum був видом енантіорнітів, який не пережив минулого крейдяного періоду. (Кредит: Нобу Тамура)

Кар'єра зв'язку: Ветеринар

Ветеринари лікують захворювання, розлади та травми у тварин, в першу чергу хребетних. Вони обробляють домашніх тварин, худобу та тварин у зоопарках та лабораторіях. Ветеринари зазвичай лікують собак і кішок, але також лікують птахів, плазунів, кроликів та інших тварин, яких утримують як домашніх тварин. Ветеринари, які працюють з фермами та ранчо, лікують свиней, кіз, корів, овець та коней.

Ветеринари зобов'язані закінчити ступінь ветеринарної медицини, яка включає в себе проходження курсів фізіології тварин, анатомії, мікробіології та патології, серед багатьох інших курсів. Фізіологія і біохімія різних видів хребетних сильно відрізняються.

Ветеринари також навчаються виконувати операції на багатьох різних видах хребетних, що вимагає розуміння абсолютно різних анатомій різних видів. Наприклад, шлунок жуйних тварин, таких як корови, має чотири відділення проти одного відділення для нежуйних тварин. Птахи також мають унікальні анатомічні пристосування, що дозволяють здійснювати політ.

Деякі ветеринари проводять дослідження в академічних умовах, розширюючи наші знання про тварин та медичну науку. Одна з областей досліджень передбачає розуміння передачі захворювань тварин людині, які називаються зоонозними захворюваннями. Наприклад, однією з областей, що викликають велике занепокоєння, є передача вірусу пташиного грипу людям. Один тип вірусу пташиного грипу, H5N1, є високопатогенним штам, який поширюється серед птахів в Азії, Європі, Африці та на Близькому Сході. Хоча вірус не легко перетинається людям, були випадки передачі від птаха до людини. Потрібні додаткові дослідження, щоб зрозуміти, як цей вірус може перетнути видовий бар'єр і як його поширення можна запобігти.

Резюме

Птахи ендотермічні, тобто вони виробляють власне тепло тіла і регулюють внутрішню температуру незалежно від зовнішньої температури. Пір'я не тільки виступають ізоляцією, але і дозволяють здійснювати махові, забезпечуючи підйом вторинними пір'ям і тягу з первинними пір'ям. Пневматичні кістки - це кістки, які порожнисті, а не заповнені тканиною, що містять повітряні простори, які іноді з'єднані з повітряними мішками. Повітряний потік через легені птахів рухається в одному напрямку, створюючи перехресний струмовий обмін з кров'ю. Птахи є діапсідами і відносяться до групи під назвою архозаври. Вважається, що птахи еволюціонували від динозаврів-тероподів. Найдавнішим відомим викопним птахом є археоптерикс, який родом з юрського періоду. Сучасні птахи зараз класифікуються на дві групи, Paleognathae і Neognathae.

Глосарій

Археоптерикс

перехід видів від динозавра до птаха з юрського періоду

контурне перо

перо, що створює аеродинамічну поверхню для ефективного польоту

пухове перо

перо спеціалізується на ізоляції

Енантіорніт

домінуюча група птахів в крейдяний період

політ перо

перо спеціалізується на польоті

фуркула

поперек, утворений зрощенням ключиць

Неогнате

інші птахи, крім палеогнатей

Неорніт

сучасні птахи

Палеогнате

ratites; нелітаючі птахи, включаючи страусів і ему

пневматична кістка

наповнена повітрям кістка

первинне перо

перо, розташоване на кінчику крила, що забезпечує тягу

вторинне перо

перо, розташоване біля основи крила, що забезпечує підйом

теропод

Група динозаврів предків птахів