Archaeopteryxin nousu ilmaan: jalat ensin ja siivet myös

Fossiilinen höyhen horjuttaa yksinkertaisimman mielikuvan lennosta. Kuvittele olento, joka ei ollut suurempi kuin nykyinen varis, jonka luuranko oli matelijan ja linnun yhdistelmä. Se ei voinut nostaa siipiään kuten nykyiset linnut. Siinä ei ollut syvää, köliä muistuttavaa rintalastaa, johon voimakkaat lentolihakset kiinnittyisivät. Ja silti se jollain tavalla nousi ilmaan.

Archaeopteryx oli höyhenpeitteinen, linnunomainen dinosaurus, joka eli noin 150 miljoonaa vuotta sitten ja yhdisti sekä dinosaurusten että nykyisten lintujen piirteitä. 

Ensin jalat, sitten siivet

Southamptonin yliopiston tutkijat väittävät, että Archaeopteryxin nousun salaisuus ei piillyt yhdessä räjähtävässä siivenvedossa. Sen sijaan heidän mallinsa viittaavat toistuviin, voimakkaisiin takajalan ponnistuksiin, kahteen tai kolmeen peräkkäiseen hyppyyn, jotka yhdessä loivat tarvittavan nopeuden kestävään lentoon. Siivet, joiden toimintaa rajoittivat olkapään mekaaniset rajoitteet ja köliä muistuttavan rintalastan puuttuminen, antoivat nosteen ja ylläpitivät läpilyöntiä vasta näiden alkuponnistusten jälkeen.

Kuvitus Archaeopteryxistä.

Eläin edustaa evoluution käännekohtaa, jossa dinosaurusten anatomia ja linnunomaiset sopeumat limittyvät. Paleobiologi Neil Gostling, joka oli osa tutkimusryhmää, huomauttaa, että Archaeopteryx säilytti dinosauruksille tyypillisiä piirteitä, kuten pitkän luuisen hännän, erilliset sormikynnet ja hampaallisen leukarakenteen. Nämä ominaisuudet yhdistettynä höyhenpeitteisiin siipiin tekevät siitä evolutiivisen sillan. Liikkumista koskeva arvoitus kuitenkin säilyi: kuinka se saattoi saavuttaa lentoonlähtönopeuden ilman nykylintujen lihasrakennetta?

Muinaisen lähtöponnistuksen testaaminen

Tutkimuksessa käytettiin käytännönläheistä lähestymistapaa. Elävien lintujen havaintoja — lokkeja, varpusia, variksia, peippoja — yhdistettiin biomekaaniseen mallinnukseen ja myöhään kuolleen tohtori Colin Palmerin aiempaan työhön. Tiimi sovitti mitatut voimat ja lihasvoimantuotot lonkan, polven ja nilkan tasoilla Archaeopteryxin luuston geometriaan arvioidakseen, kuinka paljon kiihtyvyyttä jalat pystyivät tuottamaan.

Kuvitus siitä, miten Archaeopteryx olisi voinut nousta ilmaan. 

Tutkimus osoitti yllättävän tehokkaan sekvenssin. Keskikokoinen Archaeopteryx, noin 400 gramman massainen, pystyi saavuttamaan arvioidun kestävän lentonopeuden, noin seitsemän metriä sekunnissa, kahden tai kolmen peräkkäisen hypyn jälkeen. Vaihtoehtoisesti kaksi hyppyä, joiden välissä oli alaspäin suuntautuva siivenisku, saattoivat tuottaa saman vaikutuksen. Yksinkertaisesti: lyhyitä ponnistuksia, jokainen ajoitettu lisämään vauhtia, ja sen jälkeen jatkuva siivillä ylläpidetty lento.

Mallinnus osoitti, että jalat antoivat suurimman osan lähtövoimasta — joidenkin lintujen kohdalla jopa noin 90 prosenttia — kun taas siivet ottivat vallan vasta, kun eteenpäin suuntautunut nopeus ja ilmanvirtaus höyhenien yli olivat riittäviä. Tämä malli heijastaa käytöstä useissa nykysuvun lajeissa, jotka suosivat useita hyppyjä silloin kun haluavat säästää energiaa tai eivät ole kiirehtimässä pakenemaan. Varikset, närhet ja lokit käyttävät usein kahta tai useampaa ponnistusta ennen jatkuvaa läpilyöntiä.

Archaeopteryx-malli.

Vaikutukset lentämisen alkuperälle

Tämä jalkaohjattu hypoteesi muokkaa käsitystämme siirtymästä maaelävistä dinosauruksista lentäviksi linnuiksi. Se heikentää tiukkaa kertomusta, jonka mukaan varhaisen linnunlento edellytti yhtäkkiä nykyaikaista siivellä tapahtuvaa räjähtävää lähtötekniikkaa. Sen sijaan lähtö saattoi kehittyä vähitellen: lisääntynyt jalkavoima ja koordinoidut siivenavustetut hypyt auttoivat ylittämään kuilun siihen asti, kunnes rintakehä kehitti suuremman kölin ja olkapään liikkuvuus lisääntyi.

Metodologisesti tutkimus osoittaa elävien eläinten biomekaniikan ja fossiilianatomian yhdistämisen arvon. Kun suoraa havainnointia ei ole mahdollista, elävät linnut tarjoavat mitattavissa olevia analogioita lihasten suorituskyvystä ja raajakoordinaatiosta, joita voidaan skaalata menneisyyteen. Lähestymistapa korostaa myös tiettyjä fossiilipiirteitä, joita kannattaa etsiä muista siirtymävaiheen näytteistä: suhteelliset raajaosuudet, lantion mekaniikka ja olkapään nivelrakenne, jotka sallivat tai rajoittavat siiven nostoa.

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Anna Ruiz, paleobiomekaniikan tutkija Luonnonhistorian museossa, joka ei osallistunut tutkimukseen, sanoo, että tämä tutkimus tuo lennon syntykeskusteluun tärkeää vivahdetta. Hän korostaa, että monihyppiset lähtömallit ovat energiatehokkaita pienille eläimille ja sopivat sekä puissa että maassa eläneisiin ekologioihin. "Tämä malli yhdistää käyttäytymisen ja anatomian. Se antaa testattavissa olevia ennusteita muille varhaisille linnuille ja höyhenpeitteisille dinosauruslajeille," hän lisää.

Yhteenveto

Archaeopteryxin ei tarvinnut matkia monien nykyisten lentäjien yksittäisiä, räjähtäviä ponnistuksia päästäkseen ilmaan. Jono voimakkaita takajalan ponnistuksia, joita ajoittivat hyvin ajoitetut siivenvedot, saattoi riittää. Tämä kuvaus ei ainoastaan ratkaise paleontologista arvoitusta, vaan maalaa evolutiivisen polun, jossa pienet muutokset jalkavoimassa ja siivenhallinnassa avasivat asteittain tien taivaalle.