Форма птичьих яиц зависит от физика полёта

Когда мы говорим о птичьих яйцах, как правило, представляем себе то, что на языке геометрии называется вытянутый эллипсоид с ассиметричными концами. Но на самом деле у разных видов пернатых яйца имеют самую разную форму: от почти идеального шара до капли. 

Эволюционный биолог Принстонского университета Мэри Стоддард (Mary Stoddard) давно задалась вопросом: чем обусловлено столь богатое разнообразие их форм? Ведь у всех птиц яйца выполняют одну и ту же роль – питают и защищают развивающегося цыплёнка.

Вместе со своими коллегами Стоддард обратилась к цифровому архиву Музея зоологии позвоночных в Беркли, в котором содержится свыше 50 тысяч фотографий яиц от 1400 различных видов птиц.

Учёные написали специальную программу Eggxtractor, которая автоматически измеряет длину, ширину и пропорции яиц на фотографиях. С её помощью была создана обширная база данных.

"Вопрос о том, как яйца получают свою форму, действительно хорошо освещён, — рассказывает Стоддард в пресс-релизе. — Теперь, когда мы проанализировали огромный набор данных о них, мы задались целью выяснить, существует ли механистическая модель, которая может генерировать всё разнообразие наблюдаемых форм? И оказалось, что она существует".

Зная, что форму яйца определяет не наружная скорлупа, а внутренняя мембрана, исследователи обратились к гарвардскому физику Лакшминарайянану Махадевану (Lakshminarayanan Mahadevan), чтобы он помог составить математическое описание того, как свойства мембраны и внутреннее давление формируют тот или иной внешний вид. Изменяя прочность мембраны и силу давления, модель в точности воспроизвела все известные формы яиц.

Когда учёные наложили результаты измерения на родословное древо, объединяющее около 1000 видов птиц, они обнаружили, что каждая таксономическая группа имеет сходную форму яйца. При этом оказалось, что на вид яиц очень слабо влияет их количество в кладке, а также форма и расположение гнезда, что раньше считали определяющими факторами.

Тогда Стоддард вспомнила о существовании мало кем замеченной и плохо обоснованной гипотезы, согласно которой форма яйца может зависеть от лётных способностей птиц. Но за неимением лучшего исследователи решили проверить и этот вариант.

Представьте удивление членов команды, когда они увидели, что гипотеза действительно работает. Хорошо летающие птицы, такие как кулики и кайры, откладывают вытянутые и ассиметричные яйца. В то же время яйца пернатых, которые проводят в воздухе гораздо меньше времени, имеют форму, близкую к шару.

Биологи считают, что секрет кроется в строении таза. Чтобы снести круглое яйцо, тазовые кости должны располагаться шире, чем для более вытянутой формы. В ходе эволюции многие летающие птицы приобрели более обтекаемые тела, и вытянутая форма яйца соответствует их узкому тазу.

Результаты работы, опубликованной в издании Science, не только дают ответ на загадку разнообразия форм, но и объясняют роль яичной мембраны.

По мнению учёных, нельзя сбрасывать со счетов и другие объяснения яичного разнообразия, которые вполне могут служить дополнением к новой теории. Например, чем ближе форма к правильной сфере, тем меньше отношение площади поверхности к объёму, а значит, для его создания требуется меньше ресурсов. С другой стороны яйца каплевидной формы катятся по кругу, и если они выпадают из гнезда, то остаются рядом, а не направляются, скажем, к краю скалы.