Помоги проекту - поделись книгой:
На суше инфракрасный свет видят гремучие, или ямкоголовые, змеи. На голове у такой змеи есть пара ямок, которые устроены почти так же, как камерные глаза: не хватает лишь хрусталика. Тепло, исходящее от тела мыши, попадает в ямку и возбуждает чувствительные клетки, способные различать разницу температур в тысячную долю градуса (Кельвина). Мозг обрабатывает полученную информацию, сопоставляет ее с той, что поступила через обычные органы зрения, и складывает в достаточно понятное изображение мыши. Не исключено, что дополнительный прибор видения понадобился змеям для улучшения зрения. Ведь их «прозрачная роговица» является сросшимися и не вполне прозрачными веками. Они пронизаны густой кровеносной сетью. Герпетолог Кевин ванн Дорн из канадского Университета Ватерлоо выяснил, что относительно четкую картинку змея видит в моменты единовременного сокращения сосудов, длящегося около 100 секунд.
Лучи света различаются не только по спектру: проходя сквозь атмосферу, отражаясь от гладкой водной поверхности или глянцевой листвы, они поляризуются. Если в обычном пучке света электромагнитные волны колеблются в любых плоскостях поля, перпендикулярных его распространению, то в поляризованном — большинство волн колеблется в одной плоскости. И многие насекомые, и птицы приспособились видеть поляризованный свет, чтобы находить его источник: днем — солнце, ночью — луну. Конечно, в ясную погоду такой необходимости нет, но, когда небо тучами покрыто, определить, где находится светило, непросто. В море главная плоскость поляризации лежит параллельно поверхности, и хищники — рыбы и головоногие моллюски — научились извлекать из этого выгоду: если зрачок и расположение наиболее чувствительных участков сетчатки — вертикальные (как у рыб) или, наоборот, горизонтальные (как у осьминогов и каракатиц), то разрешающая способность глаза увеличивается почти в два раза. Используя разницу в поляризации различных световых потоков, в воде можно разглядеть прозрачные объекты, а ведь многие морские организмы (медузы, гребневики, кальмары), чтобы слиться с окружающим фоном, используют прозрачный камуфляж. А кальмары и каракатицы имеют окраску, различимую только для тех, кто видит поляризованный свет.
Пользовались поляризованным светом и люди. В скандинавских сагах рассказывается о магическом солнечном камне, который помогал викингам находить дорогу при любой погоде. До недавнего времени все это представлялось не более чем легендой, но неожиданно на юге Гренландии археологи обнаружили фрагменты деревянного диска и камня, испещренные прямыми и гиперболическими кривыми линиями. Как выяснили биофизик Габор Хорват из Университета имени Этвёша в Будапеште и его коллеги, на широте 61°, где плавали викинги, в мае — августе тень от каменного столбика, установленного в центре такого диска, точно следовала бы начертанной на диске гиперболической линии с полудня до заката. Для выбора направления на север достаточно было повернуть диск так, чтобы кончик тени совпал с определенной календарной насечкой. Но это в солнечный день. В непогоду можно было откалибровать компас с помощью кристалла, определив по яркому свечению, где прячется солнце. Опыты показали, что при плотном облачном покрове, установить положение солнца, полагаясь на невооруженный взгляд, не удается. А с помощью поляризационного фильтра — вполне. Солнечным камнем мог быть, например, исландский шпат — двоякопреломляющая прозрачная разновидность кальцита. И это не единственный магический кристалл…
Другим магическим кристаллом является магнитный железняк, или магнетит. Более 2000 лет назад китайцы использовали его свойства, чтобы создать компас. Вооруженный китайским изобретением Христофор Колумб и отплыл на поиски Индии…
Этот путь — из Старого Света в Новый — буквально вымощен панцирями морских черепах. Если бы Колумбу и его матросам вовремя не подвернулись неисчислимые стада рептилий, не миновать бы мореплавателю голодного бунта. К тому историческому моменту небольшая флотилия уже готова была повернуть назад. «Великий мореплаватель» так и не стал бы таковым, кончив жизнь на рее или в пучине, а Испания не превратилась бы в державу, где «никогда не заходит солнце». Хотя для страны, возможно, это было бы и к лучшему: сто лет благоденствия на дармовых природных ископаемых (во времена конкистадоров то были золото и серебро, сейчас — нефть и газ) в конце концов привели к полному экономическому и политическому краху.
Впрочем, не имеет история сослагательного наклонения. И судьба морских черепах тоже. Зеленая черепаха, а повстречалась Колумбовой братве именно она, достигала величины хорошей телки, плодилась в изобилии, ловилась легко и долгое время после поимки оставалась вполне съедобной. Перед отплытием на родину испанцы набивали свои камбузы, складируя рептилий живьем, лишь перевернув на спину, чтобы лишнего места не занимали. А флибустьеры избрали своим пристанищем остров Тортуга[5], воспетый в блокбастерах «Пираты Карибского моря». В итоге и черепах там не осталось, и остров переименовали в Большой Кайман.
Английский флот, вышедший на просторы Атлантики после гибели Великой Армады, перенял нехитрые секреты заготовки неспешных морских обитателей у испанцев: ароматная черепаховая похлебка наполняла и медные котлы простых матросов, и голубые супницы адмиралов. От адмиралов вкусную и питательную традицию перенял высший свет: «Правь, Британия, морями», — заводили лондонские олдермены, повязывая грудь салфеткой, глотнув рюмку черри и придвинув поближе тарелку с прозрачно-зеленой «олдерменской черепахой». Когда свежего мяса не хватало, домашние повара клали в воду телячью голову, копыта, хвост, изрядно сдабривали варево специями, и получалась «фальшивая черепаха». Последняя стала одним из персонажей «Алисы в Стране чудес» Льюиса Кэрролла, а его не менее знаменитый иллюстратор Джон Тенниел даже изобразил корову в панцире с ластами вместо передних копыт. «Однажды я была настоящей черепахой», — с грустью вспоминает Фальшивая Черепаха, проливая обильные слезы. К слезам этих рептилий, которые имеют немаловажное значение в их жизни, мы еще вернемся…
Зеленая, она же суповая, черепаха сыграла и другую важную роль в истории освоения американских континентов. Дело даже не в ее яйцах, которые черепахи-мамы откладывают сотнями на песчаных пляжах: чуть мельче, чем куриные, но не менее готовые к употреблению в пищу. Испанские конкистадоры подметили, что дальние странники — черепахи — неплохо умеют использовать морские течения для перемещения из одной части света в другую, экономя силы и энергию. Возможно наблюдая за морскими рептилиями, конкистадор Хуан Понсе де Леон и обнаружил Гольфстрим. Это открытие испанцы долгое время хранили в секрете, ставя свои парусники на естественную транспортную ленту для быстрых трансатлантических переходов.
Первый исследователь поведения морских черепах герпетолог Арчи Карр, основавший национальный парк Тортугеро в Коста-Рике, отмечал, что у черепахи нет ни хронометра, ни секстанта, ни лоций, ни «Морского астрономического ежегодника», ни «Практического руководства по навигации», ни даже компаса. А она спустя два-три года, проведенных в открытом океане, и накрутив за это время несколько тысяч морских миль, возвращается точно на тот самый пляж, который покинула, едва вылупившись из яйца! «Морские черепахи несомненно обладают компасным чувством», — подытожил свои многолетние наблюдения за мечеными зелеными и другими черепахами Карр. А затем перебрал все доступные плавающим рептилиям возможности для поиска правильного направления на бескрайних океанских просторах. Рельеф? Его не видно уже через несколько миль. «Запах моря»?[6] Вряд ли особый аромат маленького пляжа можно учуять за тысячи километров. Звезды? Из-под воды невозможно засечь их видимое перемещение над самым горизонтом, как делают корабелы с помощью секстанта. Силы и ускорение Кориолиса, создающие четкие ориентиры благодаря различным скоростям перемещения объекта на разных широтах? Не исключено, но есть ли у животных органы, способные воспринимать эту разность скоростей? Наконец, координаты магнитные? А почему бы нет?
Предположение о наличии у черепах магнитного чутья, позволяющего распознавать свойства магнитного поля Земли, пятьдесят лет назад звучало довольно смело. Как и с помощью чего могут животные определять то, что под силу лишь сверхчувствительным и высокоточным приборам? Но в 80-х годах прошлого века впервые были обнаружены магниточувствительные бактерии.
Кристаллы магнетита, выращенного бактериями, не превышают в поперечнике 0,04–0,12 микрона, но не только для того, чтобы разместиться в ее клетке размером от одного до трех микронов. В кристаллах такой размерности намагниченность однородна и направлена везде одинаково и благодаря удлиненной форме они приобретают свойства ориентированных магнитных стрелок. Цепочки из кристалликов, окруженные собственной оболочкой, — магнитосомы — обладают достаточно большим магнитным моментом и образуют орган магнитной чувствительности, с помощью которого бактерия ориентируется в магнитном поле. Проживая на дне лагуны, она очень не любит, когда кто-нибудь большой и настырный ворошит ил, всплывающий облаком мути. Вращаясь в этом облаке, бактерия не знает, где спасительное дно с пониженным содержанием кислорода, а где — жутко опасное для нее открытое пространство, наполненное этим ядовитым газом. Но поскольку силовые линии магнитного поля проходят по касательной к поверхности Земли (и соответственно водоема), перемещаясь вдоль них с помощью магниточувствительного органа, бактерия живо уходит на дно. Не случайно такие бактерии, обитающие в Северном полушарии, всегда плывут на Север, и наоборот.
После обнаружения магниточувствительных бактерий пошел вал открытий: пчелы, голуби, киты, — оказывается, многие умеют ориентироваться в магнитном поле планеты… И действительно, почему бы не воспользоваться изначально заданными нашей планетой координатами? Организовано магнитное поле Земли довольно просто — действует по принципу диполя, то есть стержневидного магнита, помещенного в центре Земли и ориентированного вдоль оси ее вращения. Он положительно заряжен с одного (северного) конца и отрицательно — с другого. В любой точке земной поверхности магнитное поле можно представить как вектор в трехмерном пространстве, то есть как очень точный указатель. Задается этот вектор следующей системой координат: магнитным склонением (углом между меридианом и проекцией вектора на плоскость, касательную к поверхности Земли), наклонением (углом между вектором и плоскостью, касательной к поверхности Земли) и величиной (напряженностью поля). То есть склонение можно выразить как угол между направлением стрелки компаса на истинный Северный полюс и полюс магнитный, а наклонение — как угол, на который стрелка наклоняется к земле, следуя направлению вектора поля. Достаточно определить всего две переменные компоненты — напряженность и магнитное наклонение, и вы получите точную привязку своего местоположения к поверхности Земли. Без всякого GPS.
Конфигурация поля, вероятно, объясняется тем, что возникает оно в результате перемещения потоков в жидком железном ядре Земли. Какие именно слои ядра «отвечают» за магнитный момент, точно не известно, но ряд моделей довольно неплохо предсказывает результаты работы всей этой системы. Например, вращение в проводящей среде объемной фигуры из двух проводящих цилиндров, продольные оси которых взаимно перпендикулярны, создает двухполюсное магнитное поле, поскольку электрический ток в одном цилиндре индуцируется магнитным полем другого. Одним из результатов работы такой «динамо-машины» будет нерегулярная смена полюсов, когда южный оказывается в Северном полушарии и наоборот. Подобное явление названо магнитной инверсией[7].
Обо всем этом мне рассказывал Джо Киршвинк, профессор геобиологии из Калифорнийского технологического института, пока мы с ним коротали время у скалистого обрыва реки Алдан в Якутии. Туда Джо в 1981 году в поисках древних инверсий магнитного поля в кембрийских отложениях прилетел прямо из Японии с молодой женой Ацукой, тоже специалистом по магнитным явлениям. С ней ему незамедлительно пришлось расстаться, поскольку мы на пару отправились на интересующий только нас и малопривлекательный для всей экспедиции разрез.
На моторке я был за капитана, а Киршвинк — за механика, поскольку лодочный мотор отличался от его ручного бура только насадкой — винтом вместо бурильной колонки. Два дня я стоически варганил ранний завтрак, на третий — разжигать костер и варить что-нибудь горячее — был отправлен профессор. Через два с половиной часа он разбудил меня и сказал, что решил-таки трилемму: из трех сортов «риса» — мелкого желтого (пшено), крупного красного (гречка) и толстого белого (это действительно был рис, но наш, отечественный, а не привычный американцам длинненький) он решился приготовить последний. Правда, довел его до консистенции манной каши. Какао я предпочел сделать сам…
Таежными вечерами я постигал историю магнитных исследований, а также историю знакомства Джо с будущей женой на симпозиуме по биомагнетизму в Киото. По сути, тогда было открыто новое — магнитное, или компасное, чувство, которым обладают самые разные организмы от бактерий до китов. Природа этого чувства несколько схожа со зрением. В слове «биомагнетизм» нет ничего связанного с ясновиденьем и прочим шарлатанством. Эта наука изучает рост магнитных минералов в живых организмах и способности животных ориентироваться в магнитном поле. При том что обнаружение кристалликов размером от 0,04 до 0,12 микрона даже в тельце пчелы, не говоря уж о туше кита, задача — посложнее пресловутых поисков иголки в стоге сена, причем сам стог, учитывая соотношение масштабов, возносится выше Джомолунгмы. Расчленение тканей должно производиться без применения каких-либо привычных хирургу и препаратору металлических инструментов, иначе засорения избежать не удастся, и вся длительная и сложная операция пойдет насмарку.
Лишь в последние два десятилетия XX века с появлением приборов нового поколения, высокочувствительных к источникам магнитного поля, удалось обнаружить мельчайшие частицы магнетита, запрятанные в передней части брюшка у пчелы, в голове и груди у бабочки данаиды, вблизи решетчатой кости черепа у тунца и в передней части твердой оболочки мозга у зеленой черепахи, голубя и дельфина. С загрязнением извне биогенные минеральные формы перепутать невозможно. Например, магнетит отлагается в клетках в виде шестигранных таблитчатых кристалликов, тогда как в неживой природе он кристаллизуется исключительно в виде восьмигранников — октаэдров или двенадцатигранников — ромбододекаэдров. Кристаллы биогенного магнетита очень однородны по форме и размерам и не содержат примесей, свойственных геологическим материалам, так как растут в условиях жесткого биохимического контроля. Благодаря отчетливым различиям по находкам магнетитовых таблеток удалось установить, что отлагавшие их бактерии существовали уже 2,1 миллиарда лет назад.
В магнитном поле Земли с биогенным компасом не заблудишься, если, конечно, исключить магнитные аномалии (подобные искажения создают, например, огромные залежи металлических руд под Курском). Хотя сам механизм восприятия магнитного поля различными организмами, кроме бактерий и радужной форели, остается расшифрованным не до конца, понятно, что именно скопления доменов магнетита служат органом, воспринимающим магнитные сигналы, и что пчелы, голуби, черепахи и киты пользуются такой информацией для ориентации в пространстве.
Способность медоносных пчел возвращаться в улей всерьез заинтересовала ученых более двух столетий назад. Еще в первой половине XX века многие маститые биологи совершенно не верили в танцевальный пчелиный язык, хотя Карл фон Фриш достаточно подробно изложил суть этого явления. Он выяснил, что эти насекомые запоминают расположение предметов вблизи своего дома и с помощью знаменитого танца передают соплеменницам сведения о положении по отношению к улью и солнцу самых привлекательных для сбора нектара участков. Пчела-сборщица отмечает расстояние и направление каждого отрезка своего маршрута, внося поправки на ветер (при встречном ветре маршрут как бы удлиняется) и суточное «движение» солнца. Вернувшись после удачного взятка, она исполняет пантомиму полета к источнику пищи. Соплеменницы внимательно наблюдают и повторяют рисунок танца. Танцовщица виляет брюшком из стороны в сторону, двигаясь по прямой, совпадающей с направлением ее пути. Показывает основные ориентиры пчела обычно на вертикальной плоскости (стенка сотов). Ориентиром служит вектор силы тяжести: «верх» указывает на положение солнца. Так, виляющая дорожка под углом 90° вправо от вертикали означает, что корм находится под углом 90° вправо от прямой, направленной от улья к солнцу. Продолжительность виляния соразмерна расстоянию до источника взятка. Казалось, эти насекомые обладают органом восприятия гравитации.
Однако замысловатые круги и восьмерки выписывали и молодые особи, никогда не покидавшие родной улей, а в ритуальном танце сборщиц постоянно наблюдались странные ошибки в указании верного направления, которые совершали все без исключения пчелы. Подобные ошибки направления исчезают, если танцевальные проходы ориентированы вдоль силовых линий магнитного поля. Чтобы избежать лишних проблем, эти перепончатокрылые и соты возводят, располагая ячейки с учетом характеристик магнитного поля. Так на них потом легче будет выплясывать. Кстати, пчел на самом деле можно разделить на «правильных» и «неправильных»: одни предпочитают ориентироваться по северному магнитному полюсу, другие — по южному.
Организовать голубиную почту или соревнования среди голубятников на скорость возвращения их питомцев в голубятню тоже было бы невозможно, если бы не удивительные способности этих птиц, и, кстати, многих других, к ориентации на местности. Голуби могут летать по солнцу; с использованием поляризованного света, когда небо затягивают тучи; по звездам в ночное время; по низкочастотным звукам, вроде шума прибоя. Они запоминают наиболее заметные вехи на своем пути, если их увозят от места жилья и кормления по шоссе, и возвращаются, будто следуя дорожному атласу. Компасное чувство голубей поистине удивительно, ведь за неимением других указателей они способны взять верное направление, ощущая особенности магнитного поля. Голуби, даже самые молодые из них, никогда ранее не вылетавшие из голубятни, лишенные на время возможности видеть с помощью особых линз и перемещенные под глубоким наркозом, довольно споро находят кратчайший путь домой, хотя в последний момент и не могут в голубятню залететь — для этого нужны видимые ориентиры. Наоборот, при экранировании магнитного поля (индукционной катушкой или постоянным магнитом) в пасмурную погоду их способности к возвращению заметно ухудшаются, а птицы, увезенные в контейнерах, где создается переменное магнитное поле, просто разлетаются в разные стороны. То же происходит с пернатыми, выращенными в искусственном магнитном поле. В естественных условиях на ориентацию голубей отрицательно влияют сильные магнитные бури, грозовой фронт с частыми разрядами молний, магнитные аномалии.
Когда на пути птиц встречаются такие помехи, биокомпас выключается, и они переходят на ориентацию по звездам (ночью) или солнцу. Биолог Свене Энгельс из Ольденбургского университета и ее коллеги, изучавшие компасное чувство зарянки, установили, что магнитному восприятию препятствуют также радиоволны частотой от 20 килогерц до 5 мегагерц. В таком диапазоне работают амплитудные радиостанции, которые становятся все более популярными благодаря высокому качеству вещания. Пролетая на расстоянии до 5 километров от станции, птицы могут сбиться с пути, пока не переключатся с магнитного ориентира на другие. Способность выключать компасное чувство при появление подобных помех возникла у птиц и, видимо, других организмов не случайно: на тех же частотах ощущается влияние выбросов коронального вещества на Солнце, буквально заставляющих «вибрировать» магнитосферу Земли. Кроме того, организмы время от времени переживали эпохи смены магнитных полюсов, что также влияло на особенности магнитного поля планеты. Так что это одно из давних приспособлений организмов к природным каверзам.
Если пчелы и голуби оказались довольно удобными по своим размерам и количеству объектами для исследований магнитной чувствительности, с китами пришлось гораздо сложнее. Однако Джо придумал остроумный способ проверки чувствительности морских гигантов к магнитным явлениям. Статистический анализ странностей в поведении усатых китов, известных как массовые выбросы целых групп на берег, выявил, что подобные печальные события случаются в областях с минимальным значением магнитного поля. Как раз такие характеристики магнитного поля должны использовать эти млекопитающие, чтобы за тысячи километров переместиться со своих летних пастбищ на зимние, из одного полушария в другое и попасть точно в квадрат размером всего в несколько десятков квадратных километров. Никакие другие параметры земной среды, кроме относительно непрерывных зон со слабым магнитным полем, не могут вывести их прямо на место. Но при малейших ошибках эти же ориентиры губят левиафанов.
В 1992 году я сам оказался в гостях у Киршвинка, точнее, у родителей его жены, проживающих в Осаке, недалеко от Киото, где проходила очередная сессия Международного геологического конгресса. В тонком деревянном домике, с символической сосной во дворе полуметровой ширины, миниатюрным прудиком, где плавали золотые караси, бамбуковыми ширмами и циновками, чтобы спать на полу, мы обсуждали новейшее открытие. Тогда супругам Киршвинк удалось извлечь из человеческого мозга таблитчатые шестигранники биогенного магнетита и маггемита — в огромных количествах: 5 миллионов однодоменных кристаллов из одного грамма мозга в среднем и более 100 миллионов таких частиц из одного грамма мозговой оболочки. Правда, размер большинства магнитиков не превышает 0,07 микрона, реже достигает 0,2 микрона, но и кристаллики в 0,01 микрона — не редкость. Если бы они не образовывали скопления, их бы не удалось распознать ни на какой аппаратуре.
Видимо, из-за незначительного объема магнетита человек не способен воспринимать особенности земного магнитного поля и, как следствие, лишен возможности самоопределяться в пространстве по положению магнитных полюсов или аномалий. Лишь опыты биофизика Робина Бэкера из Манчестерского университета дали положительный результат. Правда, местность, где они проводились, имела заметный уклон к ближайшему озеру, и привлеченные к исследованиям местные жители довольно легко ориентировались по положению знакомого водоема, если, конечно, понимали, что юг находится в противоположном направлении от севера. Множество дальнейших опытов на добровольцах показало, что, если человеку дать хорошенько поплутать, повозив его на автобусе или покрутив на вращающемся кресле, он скорее покажет пальцем в небо, чем в какую-либо определенную сторону света, независимо от того, было экранировано магнитное поле или нет. Ничуть не лучше находили правильную дорогу и слепые с рождения люди, хотя им магнитная чувствительность очень пригодилась бы.
Попутно в этих опытах «пострадали» лозоходцы, поскольку именно у них подозревали наличие особого чутья, если и не к магнитным параметрам, то хоть к чему-нибудь. Сами они считают, что способны улавливать подъем грунтовых вод или прорыв водопровода по резкому опусканию расщепленного на конце прутика или проволочки в руке. Тщательно проведенные исследования показали, что они не только не обладают каким-либо шестым чувством, но и ошибаются в своих прогнозах не реже нормальных людей. Лозоходцам явно не стоит идти в саперы… «Секрет» же их заключается в том, что вода — это горная порода и, как всякая горная порода, залегает пластами, поэтому в каком месте пальцем ни ткни, рано или поздно до водяного пласта докопаешься.
Миллиарды магнитных кристаллов, обнаруженные в человеческом мозге, оказались не более чем свалкой металлолома, то ли доставшейся людям в наследство от предков, подобно другим атавистическим признакам, то ли необходимой для разгрузки излишков железа…
Орган восприятия магнитного поля у животных долго продолжал оставаться неопознанным. Все органы чувств состоят из принимающих сигнал клеток (обычно нейронов), связанных с центральной нервной системой, и всегда внешний сигнал вызывает изменение проницаемости клеточной мембраны, что приводит к электрическому ответу. Например, в зрительной системе пигмент, реагирующий на свет, воспринимает кванты света, и этот процесс меняет проницаемость клеточной мембраны для ионов (как правило, натрия), что, в свою очередь, меняет электрический потенциал на мембране светочувствительной клетки. Так энергия света превращается в электрический ответ клетки, который передается в нервную систему, где и подвергается обработке.
Понятно, что нечто подобное должно происходить в магниточувствительном органе. Но где он сам? Лишь в XXI веке подобный орган был открыт группой Киршвинка у радужной форели. Ее, как и других лососевых, пристально изучали не только из-за отменного вкуса икры и мяса, но и из-за способности распознавать среди тысяч ручьев место нереста своих родителей и выдерживать компасный курс в течение нескольких суток. Специализированные клетки, воспринимающие магнитное поле, расположены в глазной ветви тройчатого нерва. С клетками связаны цепочки магнитных кристаллов — точно таких же, как у бактерий, магнитосом. Каждая цепочка закреплена в нескольких порах клеточной мембраны. Изменения в направлении движения рыбы вызывают переориентацию магнитных цепочек в зависимости от направления вектора поля и его напряженности, поры открываются, позволяя ионам проскакивать сквозь них, и через десятые доли миллисекунды возникает электрический сигнал, передающийся по тройчатому нерву в мозг.
Магнитные явления сопряжены с явлениями электрическими: их связывает единое электромагнитное поле. Практически любое многоклеточное животное с мускульной системой использует электрические сигналы для передачи информации по нервной системе и к мускулам. Но способностью накапливать и высвобождать электрические заряды обладают немногие. Электрические рыбы были известны уже в конце XVIII века. Им посвятили свои труды величайшие физики — Генри Кавендиш, Майкл Фарадей, Ганс Эрстед, Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани. Гальвани экспериментально показал, что любая мышца и любой нерв способны генерировать электрические импульсы, а вольтов столб, построенный из собранных в столбик контактных пар металлов, разделенных влажными матерчатыми дисками, стал моделью электрического органа рыбы. Один из самых знаменитых опытов того времени провел племянник Гальвани, Джованни Альдини: он присоединил источник электричества к голове только что казненного в Лондоне преступника и мертвое лицо исказила страшная гримаса… Этот эпизод натолкнул Мери Шелли на идею готического романа «Франкенштейн», герой которого пытается воскресить мертвеца с помощью мощных электрических разрядов.
Как именно устроен электрический орган рыб, очень похожий на гальванические батареи и представляющий собой преобразованную мускульную ткань с особыми клетками — электроцитами, ученые открыли много позже. Чтобы батарея сработала, нужно правильно расположить ее элементы, не путая полярность (как, скажем, в зарядном блоке любой фотокамеры): в момент разряда все электрощиты должны быть обращены в одну сторону. Эти мускулы утратили способность сокращаться, и волокна в них расположены так, чтобы электрическое напряжение накапливалось. Накопиться может немало: 2,5-метровые электрические угри
А например, клюворылы и родственные им гимнархи довольствуются слабыми — около 30 милливольт — электрическими импульсами. Эти рыбы, как установил в 1950-е годы биофизик Ганс Лиссманн, работавший в Кембриджском университете, не только генерируют, но и ощущают слабые электрические поля. В аквариумных опытах он обнаружил, что подобные рыбы воспринимают проволочный прямоугольник как непреодолимую преграду, а среди нескольких дипольных антенн распознают единственную, на которую подаются электрические сигналы, и атакуют ее. То есть у них существует электрическое чувство восприятия, с помощью которого они обнаруживают препятствия, источники пищи и угрозы. Многослойный эпидермис, обладающий высоким электрическим сопротивлением, пронизанный густой сетью каналов, наполненных проводящим веществом, уподобляет поверхность рыбы сетчатке глаза, «видящей» картину электрических полей. Именно с особенностями органов чувств этих рыб связаны их необычная форма тела (выросты на голове), своеобразный стиль плавания (волнообразные движения, способствующие зарядке электрических органов), довольно развитый мозжечок (именно эта часть мозга содержит нервные центры, связанные с мускулатурой) и способность выживать в мутных водоемах. Глаза же у них развиты плохо.
В 1993 году биофизик Владимир Барон и его коллеги из Института проблем экологии и эволюции РАН зарегистрировали очень слабые электрические разряды у обитающих в озерах и реках Африки сомов из семейства клариевых: разряды возникали при «выяснении отношений» между рыбами. А недавно группа ученых под руководством биофизика Владимира Ольшанского установила с помощью аквариумных опытов во Вьетнаме, что самки местного вида клариевых сомов генерируют особые электрические разряды во время спаривания. Нерест сомов — сложный ритуал. Сначала рыбы собираются вместе и выбирают партнеров. Затем самец, изгибаясь дугой, обвивает самку, и они совершают ряд замысловатых движений. Наконец он выбрасывает сперму, а она немного погодя — мечет икру. В момент, предшествующий этому событию, самка и дает разряд — до 30 милливольт, весьма чувствительный для самца. «Икра — очень ценный ресурс, — объясняет Ольшанский, — и разбросать ее нужно как можно шире. Вот самка и должна убедиться, что сперматозоиды уже в воде, а самец готов ей помочь. Своим разрядом она будто указывает ему, что пора надавить на ее брюшко. Возможно также, что испытанный шок доставляет самцу удовольствие и побуждает к новым спариваниям».
Казалось бы, обнаружить электрические органы в палеонтологических коллекциях — задача неразрешимая. Однако уже в 1920-е годы палеонтолог Эрик Стеншё, работавший в Шведском музее естественной истории, обратил внимание на обширные поля, расположенные на причудливых головных панцирях раннепалеозойских бесчелюстных позвоночных. В этих полях вполне мог находиться многослойный эпидермис, пригодный для восприятия и передачи электрических импульсов. Обитали эти похожие на панцирных рыб бесчелюстные в основном в мелководных лагунах и других прибрежных водоемах, где видимость оставляла желать лучшего. (Необычное рыло у обитателей вод — хороший признак электрочувствительности: например, клюв млекопитающего утконоса — это тоже электросенсорный орган.)
Так что седьмое (электрическое) чувство вполне могло быть одним из первых, не говоря уж о шестом (магнитном). Анализ информации, прежде остававшейся глубоко запрятанной в геноме, проведенный группой генетика Мартина Шестака из Института имени Рудера Бошковича в Загребе, показывает, что основные молекулярные элементы всех чувств имеют довольно древние корни и что органы чувств, связанные с восприятием различных физических сигналов (например, зрение), вероятно, возникли раньше способности улавливать химические сигналы, то есть обоняния.
Теперь же можно разнообразить восприятие, как делают морские черепахи.
Едва вылупившись из яйца, что происходит в ночную пору, черепашки ориентируются на свет: море отражает звезды. Добравшись до кромки воды, они переключают внимание на движение волн и движутся поперек волнового фронта. А уже в открытом море у них включается компасное чувство: опыты, проведенные герпетологом Кеннетом Ломанном и его группой из Университета Северной Каролины, показали, что, пребывая в мощных теплых струях северо-атлантической воронки Гольфстрима, зеленые черепахи и логгерхеды делают три засечки магнитных координат. Вылупившись, скажем, на восточных пляжах Флориды, черепашки стремятся попасть именно в это течение, вращающееся вокруг Саргассова моря. Там, в богатых пищей водах, они проводят несколько лет. Однако их поджидают три опасности: у берегов Португалии течение разветвляется, и один его рукав отходит на север; на приближении к Западной Африке появляются ответвления, уносящие в холодные воды Южной Атлантики; наконец, на подходе к Карибам нужно разобраться, в какой из многочисленных морских рукавов следует плыть, чтобы оказаться в месте откладки яиц. Те, кто сумел правильно распорядиться своими знания по ориентации с помощью магнитной сетки координат, всегда попадают в нужную струю и сполна проживают свой черепаший век.
«Двоечникам» грозит холодная и голодная смерть где-нибудь в заливе Кардиган, и на обширных песчаных отмелях Уэльса у скал Харлеха их трупики будут расклеваны чайками. Правда, случается такое крайне редко. Гораздо чаще на пляжах Уэльса можно встретить вполне себе живехоньких кожистых черепах — самых холодоустойчивых рептилий, заплывающих без вреда для себя даже в Баренцево море. И пусть не вводят зевак в заблуждение их горючие и горькие, в буквальном смысле в три ручья, слезы.
Просто слезные железы морских черепах за 200 миллионов лет эволюции превратились в железы солевые. Ведь все они пьют исключительно морскую воду, а кожистые черепахи к тому же едят медуз и прочую студенистую пищу, которая содержит соли столько же, сколько окружающая среда. Избыток ионов и выводится в виде слезных ручьев. Причем эти выделения, содержащие натрий, калий, хлор и даже магний, солонее воды в два раза. И никаких почек не надо. Впрочем, у кожистых черепах их практически и нет. Нет у них, как следует из названия, и рогового панциря, зато есть толстый-претолстый слой ворвани. Настолько толстый, что музейные препараты сочатся жиром по нескольку лет. Даже голова такой черепахи состоит из солевых желез и жира, в глубине которого прячется маленький мозг.
Мощная жировая прослойка, а также своеобразный кровоток в длинных (до 2,7 метра в размахе) передних ластах делают эту черепаху самой теплокровной среди холоднокровных животных. Она может поддерживать постоянную температуру тела на 18 °C выше температуры воды. Способствуют этому и скорость передвижения (45–65 километров в сутки), и большая собственная масса (до 916 килограммов): при таких габаритах избавиться от излишек тепла сложнее, чем согреться. По весовой категории эти рептилии сравнимы с моржами и малыми китами, но, чтобы достичь гигантских размеров, в отличие от млекопитающих, вырастают в 10–20 тысяч раз. Ведь из яйца проклевывается черепашка массой всего в 40–50 граммов. И это не последний ее рекорд.
Это дышащее атмосферным воздухом животное ныряет на глубину 1820 метров и проводит в пучине до 85 минут! Притом заглоченного на поверхности воздуха должно хватать от силы минут на сорок. Значит, черепаха в какой-то момент переходит на анаэробное (бескислородное) дыхание. Для этого и нужен гибкий, неороговевший панцирь, а также неокостеневшая трахея: сжимаясь они выдавливают остатки газов из легких, и животное избегает кессонной болезни, которой подвержены все глубоководные ныряльщики — и современные кашалоты, и давно вымершие мозазавры, которые 70 миллионов лет назад охотились на четырехметровых морских черепах, тоже нередко страдавших некрозом костной ткани (хорошо видимый на ископаемых остатках признак кессонной болезни).
Черепахи пережили не только мозазавров, но и динозавров, с которыми появились почти одновременно. Правда, откуда они появились, пока точно не установлено. Дело в том, что у черепах нет лишних дырок в черепе (височных окон) — только глазницы и ноздри, а все эволюционное древо пресмыкающихся строится по наличию и положению дополнительных отверстий. Потому палеонтологи считали их предками пермских парарептилий — грузных черепахоподобных ящеров. А молекулярные биологи предпочитают сближать черепах с крокодилами и птицами. Лишь недавно палеонтологи Райнер Шох из Государственного музея естественной истории в Штутгарте и Ганс Дитер Зюс из Национального музея естественной истории в Вашингтоне нашли в среднетриасовых отложения Германии «папу черепах» —
Интересно, что у морских черепах верхняя часть панциря полностью редуцировалась, как у кожистой, а стоило их потомкам вернуться на берег, панцирь «отрос» заново. По панцирным наслоениям можно представить, что и предки современной кожистой черепахи сначала жили на суше, потом освоили морскую стихию, где им, наверное, не понравилось, и они вернулись на берег, но там оказалось еще хуже. И они окончательно выбрали жизнь в море.
Черепахи живут на земле и в воде. Вот только взлететь они не смогли…
2. Сто попыток взлететь до братьев Райт и Можайского
23 июня 2014 года. Битый час мы шагаем в направлении Северного полюса. Преодолено огромное расстояние… километр или чуть больше. До полюса осталось 2150 километров. По счастью, нам туда не надо. То, ради чего мы забрались в тундру на северо-востоке Якутии, находится гораздо ближе: метрах в сорока. Но под ударами снежных зарядов, перемежающихся обжигающими вспышками незаходящего солнца, по пояс в талой воде, на бугристой ледяной поверхности разница между десятками метров и тысячами километров перестает ощущаться. И, сжалившись, наша цель сама взлетает навстречу: в небольшом опрокинутом ярко-голубом колодце, в глубине облаков на миг возникает бело-розовое видение, вспыхивающее особенно ярко в луче наведенной на него световой пушки — солнце в очередной раз пробило темень туч…
23 июня 1823 года такое же видение над островком Иглулик, расположенным на той же широте 70°, что и мы ровно 191 год спустя, но по другую сторону от Северного полюса, наблюдал Джеймс Кларк Росс, гардемарин флота Его Величества. Будущий контр-адмирал, первооткрыватель северного магнитного полюса и обширных площадей Антарктиды забрался в поисках Северо-Западного прохода — кратчайшего пути из Атлантического океана в Тихий — в узкий, загроможденный льдами пролив, называемый ныне именем бомбардирских кораблей «Фьюри» и «Хекла», один из которых шел под командованием Росса. Новый вид птицы получил имя чайки Росса, или розовой чайки…
Она действительно розовая и, облетая нас, позволяет рассмотреть себя со всех сторон: белая с розовым отливом головка, нежно-розовая грудка и яркое брюшко. Все это дополняется сизым оперением спинки и крыльев, блестящими карминовыми лапками, красно-желтыми бусинками глаз, изящным черным клювиком и тонким ожерельем на шее, тоже черным. По-якутски эту птицу называют «чэке», что значит «красивая» или «хорошенькая», если речь идет о девушке, но это и игра слов — звукоподражание чаячьему крику. Цвет оперения указывает на некоторое отношение розовой чайки к другой прекрасной птице — фламинго. Они не родственники, но едят сходную пищу — мелких рачков. С пищей и приобретают красящие пигменты. Рачков чайка добывает, конечно, не в тундре, а в северных морях, где ее чаще всего и встречали. Без такой подпитки птица к концу гнездового периода выцветает. Теряют розовый оттенок и музейные шкурки. Неудивительно, что через несколько лет к типовым образцам, доставленным в Эдинбург Россом, стали относиться с подозрением: «А была ли чайка розовой?..» Согласно легенде, корабль Росса вмерз в лед, капитан вынужден был провести две зимовки в Арктике, и лишь когда над мачтами пролетела розовая чайка, льды расступились.
В 1881 году шедшая к Северному полюсу яхта «Жаннетта» под командованием Джорджа Де-Лонга была раздавлена льдами, одним из спасшихся членов экипажа оказался натуралист Реймонд Ньюкомб. С собой он взял три шкурки розовой чайки и дневник экспедиции со словами: «Вид этот самый прекрасный из всех, что я когда-либо видел». А в 1893 году парусно-моторная шхуна «Фрам» путешественника и биолога Фритьофа Нансена, стремившегося покорить полюс, застыла во льдах, но экипаж под его руководством дошел до Шпицбергена. Среди вынесенных на руках коллекций были восемь тушек розовой чайки и журнал полярного исследователя с записью от 3 августа: «…Редкий таинственный обитатель неизведанного Севера, которого видели лишь случайно и о котором никто не знает, откуда он появляется или куда исчезает, который всецело принадлежит миру, доступному лишь воображению…»
Мы потихоньку продвигаемся в ту сторону, откуда взлетела наша сопровождающая и куда она уже вернулась, присев и сложив крылья: на небольшой сфагновой кочке расположено ее гнездо — гнездо розовой чайки…
Впервые гнездовья легендарной птицы открыл мировой судья Сергей Бутурлин, в 1905 году направленный Министерством внутренних дел (в наши дни его функцию выполняет Министерство природных ресурсов и экологии) в качестве уполномоченного по снабжению продовольствием Колымского и Охотского краев. В тот год японский флот блокировал подходы к дальневосточным портам России, и правительство искало новые пути снабжения отдаленных земель. Бутурлин установил, что перебои со снабжением в большей степени являются результатом деятельности, точнее, бездеятельности местных чиновников, жадных и непрофессиональных, притесняющих коренное население — якутов, юкагиров, ламутов. Уполномоченный наблюдал не только за состоянием дел, но и за малоизученной природой тундры. Он нашел колонии розовых чаек, описал их брачные игры, птенцов, разнообразие голосовых сигналов. «Самец всячески выражает самке свою нежность, то как-то поклевывая или почесывая ей шею открытым клювом, то время от времени начинает похаживать перед ней взад и вперед, несколько выпячивая зоб, и затем с какой-то трелью или трещанием „трррр“ наклоняет совершенно переднюю половину туловища к земле (точнее, ко льду или снегу), поднимая высоко вверх заднюю половину с хвостом и сложенными крыльями, и продолжает эту пантомиму несколько секунд…» — сообщал будущий всемирно признанный ученый. В декабре того же 1905 года, пока Бутурлин пребывал в Якутии, его сенсационное открытие бурно обсуждалось на заседании Британского орнитологического клуба, а вскоре известный журнал «The Ibis», и сейчас являющийся ведущим периодическим изданием орнитологов, опубликовал его статью. В ней Бутурлин сообщал, что птица, вероятно, гнездится по всей восточносибирской тундре…
В одном из таких уголков тундры — на левобережье Нижней Индигирки, принадлежащем якутскому ресурсному резервату «Кыталык», мы сейчас и находимся. И если бы не Сергей Слепцов, орнитолог из Института биологических проблем криолитозоны СО РАН (Якутск), не видать бы нам необычной чайки. Он забрался сюда еще по снегу и льду — в конце мая — и выискал несколько гнезд. «Розовая чайка, в отличие от многих других птиц, редко гнездится на одном месте, — рассказывает Слепцов, пока мы проветриваем носки и болотники на относительно сухом бугорке, среди еще голых стволиков карликовой березки. — Потому ее так редко и находили. Сегодня она облюбовала кочку здесь, на следующий год — в трех сотнях километров западнее или восточнее или вообще не прилетела».
Наша чайка (или это уже не она? — самка и самец сидят на гнезде попеременно, а опереньем они похожи) спокойно согревает пару будущих птенцов буквально на соседней кочке, метрах в пятнадцати от нас. Она выбрала удачное место — среди болота, на нейтральной полосе между владениями двух пар стерхов, больших грозных птиц, которых боятся даже очень крупные серебристые чайки, поморники и песцы — главная угроза яйцам и птенцам в тундре. А ближайшие семьи сапсанов и мохноногих канюков устроились далеко отсюда, по другую сторону большого мерзлотного бугра — булгунняха. Еще один добровольный страж — соседка, полярная крачка. Если что, она первая взмывает в воздух, мельтешит крыльями, поднимает крик и отвлекает внимание. (Издалека этих похожих по размеру и характеру полета птиц легко можно перепутать и свернуть совсем не там; лишь приблизившись к гнезду вплотную, понимаешь, что это совсем не та кочка и зря бродил по болоту лишних два часа.) Где бы ни гнездились розовые чайки — в якутской тундре, на Аляске или в Гренландии, по соседству всегда устраиваются полярные крачки, а ведь прибывают они с зимовий из Антарктики.
Да и сама розовая птица, случись что, за себя постоит. Вот и сейчас, стоит показаться на границе ее территории серебристой чайке, самец и самка решительно бросаются на нарушительницу. Маневренная розовая пара гонит недруга, чувствительно долбя его в затылок и заставляя снижаться до самой воды. Серебристая вынуждена ретироваться, при том что масса ее — полтора килограмма против всего 140–190 граммов у розовой. Сама розовая чайка ведет себя очень благородно: в отличие от сородичей чужих яиц и птенцов не таскает. Кормится в тундре мелкой рыбешкой вроде девятииглой колюшки, застрявшей в мелеющих лужах, улитками, водными жуками и другими насекомыми, включая личинок двукрылых. Ими же выкармливает птенцов, за что ее нужно благодарить особо: когда потеплеет, эти смешно изгибающиеся в каждой луже «червячки» превратятся в совсем не смешные тучи кусачих существ, куда более грозные, чем июньские снежные тучи.
Натягивая сапог, долго прыгаю на одной ноге в попытке сохранить равновесие: болото — не бездонное, но очень уж мокрое. Чайка розовым вихрем вспархивает и, сделав разведочный круг, резко атакует, просвистев на скорости 50 километров в час у правого виска с криком, похожим на каратистское «кья». Затем начинает новый заход. И снова, и снова… В вышине появляется самец, спешащий на помощь боевой подруге. Держу у лица камеру — не столько для того, чтобы запечатлеть их пируэты, сколько затем, чтобы прикрыть лицо, и инстинктивно приседаю. Что снимает камера, не вижу, лишь жму на кнопку спуска. Только в палатке, «проявив пленку», обнаруживаю розовое существо, распластанное во весь кадр с широко разинутым клювом…
Американские бердвотчеры и таким кадрам позавидуют. Хотя и российские, и канадские орнитологи отмечают, что розовые чайки совсем нередки: только на северо-востоке Якутии их гнездится 45–50 тысяч пар. Начиная с 1970-х годов эти птицы расширяют ареал — сооружают гнезда на Таймыре, в Чаунской низменности на Чукотке, на Шпицбергене и северо-востоке и западе Гренландии, на севере Аляски и даже в континентальной Канаде (провинция Манитоба), но все это происходит там, куда добираться и накладно, и просто очень тяжело. Поэтому каждое появление заветной чайки в доступных местах, вроде Массачусетса или Небраски, вызывает перемещение сотен людей по всей Северной Америке, а фотографии расплывчатого розового пятна на горизонте с обширными комментариями размещают ведущие газеты США и Канады…
И при таком пристальном внимании к ее особе до сих пор доподлинно не известно, где розовая чайка проводит зиму. Да, более тысячи особей этого вида видели за раз на паковых льдах между Шпицбергеном и Землей Франца-Иосифа, но то были молодые, неполовозрелые чайки, и далеко не зимой. Наблюдали их в Беринговом и Охотском морях. И все равно таинственная птица отчаянных полярных путешественников продолжает хранить тайны… подобно многим другим летающим существам на Земле.
Несомненно, что все, кто вышел на сушу, рано или поздно начинал тянуться вверх, вплоть до полного отрыва от этой самой суши. К этому располагал второй океан Земли — воздушный. Сравнение атмосферы с Мировым океаном напрашивается не случайно — это довольно плотная и влажная среда, обладающая вязкостью, вполне достаточной, чтобы «поплыть» в ней, то есть взлететь. Потому и некоторые рыбы летают в воздухе, используя привычные для плавания движения, а птицы плавают под водой, будто продолжают полет.
В воздушном океане есть свой планктон — те, кто парит, используя лишь свойства самой атмосферы и естественные, циркулирующие в ней потоки (например, пыльца растений и яйца тихоходок, которые размером и шипастой поверхностью схожи с пыльцой). Есть свой нектон — активно летающие животные. И даже свой бентос — обитатели суши. Теоретически можно было бы представить, что со временем в атмосфере заведется и свой супернектопланктон, вроде китов. Таких воздушных левиафанов вполне по силам создать колониальным бактериям: представьте себе «шкуру» из цианобактерий, поглощающих энергию солнечных лучей, и «внутренности» из бактериального сообщества, выделяющего азот или водород. Поскольку любой из этих газов легче воздуха, являющегося в основном смесью кислорода и того же азота, такой «кит» парил бы в облаках и поглощал воздушный планктон, подпитывая этой пищей свои «внутренности». Появлению суперорганизмов мешает лишь главное отличие воздушного океана от водного — незначительная концентрация живого вещества, даже если брать в расчет явления, подобные массовым перелетам саранчи в поисках пищи или сезонным миграциям птиц и некоторых бабочек.
Среди организмов, соприкасающихся с атмосферой, взлететь попробовали практически все: растения (в виде семян и пыльцы), пауки, насекомые, головоногие моллюски, рыбы, лягушки, змеи и ящерицы, птицы и млекопитающие (летучие мыши, шерстокрылы, а также отдельные освоившие планирование грызуны, сумчатые, вымершие харамииды и триконодонты), а также несколько полностью вымерших, довольно значительных в свое время, групп заправских летунов, относящихся к рептилиям. Из всех, кто вышел и выполз на сушу, взлететь не рискнули лишь кольчатые черви да улитки. Наверное, слишком малая стартовая скорость.
Конечно, не все организмы освоили воздушную среду в равной степени. Среди современных лягушек, ящериц и змей это единичные виды, вынужденные приспособиться к жизни в кронах высоко вознесшихся тропических лесов Юго-Восточной Азии. Спускаться оттуда на землю — себе дороже. Вот и парашютируют веслоногие лягушки
Летучие рыбы представляются экзотикой только жителям Северной Европы и Азии. Более 60 их видов летают над поверхностью Атлантического, Индийского и Тихого океанов по всему экваториальному поясу. Самая большая — полуметровая гигантская летучая рыба
Пауки-волки и некоторые клещи — единственные среди животных, не считая человека, кто взмывает в небо с помощью дополнительных конструкций. Осенью молодь пауков образует многомиллионные скопления, и, чтобы не мешать друг другу добывать пищу после зимней спячки, в ветреную погоду они влезают на высокие травинки или ветви деревьев, распускают легкую шелковую паутинку, разжимают лапки и разлетаются на сотни километров. Многие мелкие организмы перелетают с места на место, используя транспортные средства — летающих животных. Например, вместе с мезозойскими птерозаврами в воздухе оказались удивительные проблохи: заврофтир (
Первыми воздушную среду, вероятно, освоили планктонные бактерии и одноклеточные водоросли. И сейчас они составляют довольно существенную массу летающей живности, поскольку благодаря мелким размерам поднимаются в воздух не только во время бурь и ураганов, способных вознести целые косяки рыб или стаи жаб, но и вместе с испаряющейся водой. Ведь те, кто имеет приспособления для парения в воде, готовы воспарить и в воздух…
Люди обращали внимание на подобных летунов лишь в особых случаях. Библия и средневековые летописи упоминали необычные «кровавые» дожди, льющие с неба в «знак Божьего гнева», после чего следовали расправы с еретиками и прочими неверными. Лишь в 1870 году, когда «кровавый» дождь оросил Рим, ученые воспользовались редкой возможностью рассмотреть под микроскопом, что там внутри капель. Оказалось, что каждая капля буквально нашпигована мириадами шаровидных жгутиковых водорослей, названных теперь —
Цветные дожди вполне могли пойти уже 545 миллионов лет назад, когда в морях изобиловали мелкие, менее 0,1 миллиметра в диаметре, водоросли акритархи (вероятно, древние родственники зеленых водорослей) с различными шипами и оторочками на оболочке клетки. Примерно тогда же появились очень странные организмы кохлеатины (Cochleatina), имевшие вид плотно свернутых спиралей миллиметрового размера. Вероятно, они представляли собой органы размножения водорослей. Эти эластичные пружинки могли действовать подобно катапульте, выстреливая спорами, но такое действо возымело бы смысл только на воздухе. Ныне с помощью собственной «катапульты» разбрасывают споры сфагновые мхи. У мхов споры сидят в шаровидной коробочке с крышечкой. По мере созревания коробочка усыхает, а давление находящегося в ней воздуха возрастает, достигая почти четырех атмосфер (в два раза выше, чем в покрышке автомобиля). Затем крышечка отстреливается, и сжатый воздух выталкивает споры на расстояние до двух метров. Если учесть, что размеры «орудия» не превышают миллиметра, то результат можно считать превосходным. Среди современных растений немало и других бомбардиров, стреляющих даже на 12 метров, их семена разлетаются со скоростью почти 10 метров в секунду. Но это еще не освоение воздушной среды.
Растения изобрели множество приспособлений, пригодных для долгих перемещений на огромные расстояния, такие, как летающие плодики одуванчика. Эти белые парашютики не опадают сразу по мере созревания, а дожидаются хорошего ветра, чтобы дальность полета была наибольшей. Растение буквально оценивает состояние погоды — относительную влажность воздуха, температуру и силу ветра. Парашют очень удобен и для приземления: плод всегда опускается вертикально вниз, и всхожесть семян увеличивается. Не случайно одуванчики первыми завоевывают пустоши, образующиеся в городах благодаря деятельности человека. Парашют — не единственное средство полета. Лиана занония (
Все рекорды по дальности полета бьет пыльца хвойных и покрытосеменных деревьев, легко преодолевая расстояния в десятки и сотни километров. Благодаря исключительно малой массе при относительно большой площади поверхности пыльца поднимается на высоту двух километров, а то и на шесть и так путешествует по нескольку дней. Даже при полном безветрии пыльца березы будет опускаться с такой высоты 66 часов: настоящий воздушный планктон. Однако и она покажется гигантом рядом с пыльцевым зерном орхидеи — полмиллиона малюток весят всего грамм. И это не предел: для того чтобы собрать тот же грамм грибных спор, их понадобится 20 миллиардов, поскольку каждая не превышает 0,005 миллиметра в поперечнике. С шестикилометровой высоты крошка снижается не менее полумесяца при полном штиле. А сколько она может «прожить» в атмосфере в ветреную погоду?
Не удивительно, что в истории наземных растений важную роль сыграли именно ветроопыляемые формы. Правда, появились они далеко не сразу. Возможно, что развитие летающей пыльцы с полыми пыльцевыми мешочками происходило параллельно в нескольких группах растений, давших древесные формы к концу девонского периода. Ветром разносимая пыльца существовала в середине каменноугольного периода у древних голосеменных — некоторых цикадопсидов и кордаитов. У кордаитов, а также первых, каменноугольных, хвойных (
Однако настоящими летунами следует считать насекомых, птиц, летучих мышей и вымерших крылоящеров. Именно благодаря окрыленности эти группы достигли огромного разнообразия, приобрели множество необычных поведенческих навыков и отвоевали значительное пространство под солнцем.
Насекомые учились летать одновременно с растениями. Именно им принадлежит первенство в создании совершенных летательных аппаратов. Уже в самом начале каменноугольного периода насекомые окрылились. Ведь первые из них — в предшествовавшем девонском периоде — были первично бескрылыми формами, подобными современным щетинохвосткам — мелким, невзрачным, похожим на шестиногих многоножек существам. Как, собственно, появились первые летчики-шестиножки, остается загадкой. Поскольку жизнь множества нынешних насекомых протекает в воде (там развиваются личинки), одно время считалось, что крылья развились из жабр или дыхательных придатков ножек, которые эти насекомые использовали, чтобы парусить вдоль поверхности или даже грести ими. Однако водная жизнь этих существ во многом вторична. Так, у всех современных стрекоз личинки растут в воде, но в каменноугольном периоде они бегали по суше. Согласно другим представлениям, древние мелкие насекомые могли использовать выросты головогрудного сегмента тела, чтобы с их помощью планировать. Однако планирующий полет вряд ли мог преобразоваться в машущий, поскольку не способствует развитию каких-либо подвижных органов. Чем и зачем насекомым нужно было махать, чтобы в конце концов взлететь?
Многие насекомые являются существами, весьма зависимыми от солнца. Им необходим внешний нагрев, чтобы утром возвратиться к жизни после ночного оцепенения. Выползая на кончик тонкой веточки, чтобы подставить тело первым лучам светила, древние насекомые могли ускорить прогрев, совершая машущие движения пластинчатыми выростами на грудном отделе. Вероятно, изначально такие телодвижения понадобились для другой, даже более важной, функции: в конце девонского периода уровень кислорода в атмосфере сильно упал, соответственно понизилась и плотность воздуха, а жизнь насекомых зависит от давления в дыхательных трубочках — трахеях. Вот и приходилось им нагнетать грудными выростами дополнительные объемы воздуха в дыхальца, чтобы продышаться. Поэтому, наверное, у палеозойских стрекоз, поденок, а также вымерших паолиид и диктионеврид (крупных насекомых с колющим хоботком) даже личинки обладали подвижными выростами грудного отдела, на что обратила внимание палеоэнтомолог Ярмила Кукалова-Пек, работавшая в Карлтонском университете в Оттаве. Дальнейшая эволюция могла пойти в сторону удлинения таких лопастей и увеличения их поверхности. Так и появились машущие крылья. Вымершие каменноугольные и пермские диктионевриды еще сохраняли три пары пронизанных жилками и покрытых щетинками крыловидных выростов, но двигались только две последние из них. Настоящие крылья у всех насекомых располагаются на втором и третьем сегментах груди.
Далее стремительному взлету насекомых способствовал резкий подъем уровня кислорода — не менее 30 процентов — в каменноугольной атмосфере (сейчас 21 процент). Поскольку содержание азота оставалось неизменным, возросло атмосферное давление. Повысились плотность, вязкость и скорость перемешивания газовых молекул. Надышавшись вволю, летающие шестиножки размахнули крылья на 40–70 сантиметров[11]. Большая плотность воздуха обеспечила им достаточную подъемную силу и условия для полета. Ведь машущий полет требует постоянного и скорого обновления кислорода в организме. А подросшие деревья обеспечили надежную стартовую площадку для покорения воздушного пространства: не нужно было тратить дополнительные усилия на преодоление силы тяжести.
От древнейших летающих насекомых, появившихся около 325 миллионов лет назад, — каменноугольных паолиид — ничего, кроме крыльев (в мелкую неправильную сеточку), и не сохранилось. У всех насекомых, впервые освоивших полет, крылья не складывались, как у больших стрекоз. С такими крыльями трудно было спрятаться и можно было улететь, даже помимо своего желания, с порывом ветра. На первых порах использовались все четыре крыла. Сейчас так летают выжившие с тех пор сетчатокрылые (ныне их представляют златоглазки и муравьиные львы), скорпионницы и ручейники. Тело, скажем у муравьиного льва, висит в воздухе почти вертикально, а крылья двигаются перпендикулярно оси тела с низкой частотой биений. Передние крылья машут как бы независимо от задних, и образующиеся две пары завихрений вынуждают насекомое постоянно проваливаться в воздушные ямы, описывая синусоиду. Чтобы избавиться от паразитных вихрей, нужно было отказаться от «лишней» пары крыльев или превратить их в единую несущую плоскость с передними.
Этим путем и пошла дальнейшая эволюция насекомых. Но заняла дорога «технического прогресса» сотни миллионов лет. А пока можно внимательнее присмотреться к такому удивительному органу, как крыло насекомых: в отличие от крыльев других летающих животных в нем нет мускулов. Это двуслойный вырост грудной части внешнего скелета, пронизанный жилками, по которым течет гемолимфа (аналог крови, содержащий дыхательные пигменты), обеспечивающая их упругость, проходят нервы и трахеи. Такая конструкция сочетает возможности рычага (передает усилия грудных мышц всей маховой поверхности), несущей плоскости (создает подъемную силу, уравновешивающую вес насекомого, и толкают тело вперед) и подвесного моста (может сильно гнуться, не разрываясь на части, а также изменяет угол атаки, сохраняя его положительным). Именно благодаря сгибаниям при взмахе крыло накапливает упругие силы, возвращающие его в исходное положение без лишних затрат энергии. Подобный механизм гораздо экономичнее любого из созданных человеком летательных аппаратов, но, увы, неповторим в доступных пока людям материалах.
При перераспределении основной моторной функции на задние крылья маховый цикл начинается с их открытия. Возникающий вихрь приводит к образованию под ними области пониженного давления, которая препятствует образованию вихря за передними крыльями. Не удивительно, что среди насекомых появилось множество заднемоторных: тараканы, прямокрылые, палочники и вымершие тараканосверчки. Большинство из них существуют около 330 миллионов лет. Передние крылья этих насекомых превратились не просто в несущую плоскость, но и в плотную защитную оболочку, когда они в сложенном виде закрывают нежное брюшко и задние крылья. Эти насекомые питаются растительной пищей — низкокалорийной и ядовитой, поэтому у них довольно объемный кишечник, перенос которого по воздуху требует изрядных затрат энергии. Как следствие, среди них нет искусных летунов, хотя саранча и перемещается на значительные расстояния. Жуки, у которых передние крылья преобразованы в плотные щитки-элитры, тоже относятся к заднемоторным насекомым. Они вознеслись в небо в пермском периоде.
Весьма необычные способности выработались у стрекоз — одной из древнейших групп насекомых. У них хорошо разработана продольная мускулатура груди, благодаря чему каждое из четырех крыльев может двигаться независимо от остальных. Эти прожорливые хищники легко маневрируют и, не меняя положения тела, перемещаются и вбок, и задом наперед. Да и разворачиваются они в три-четыре раза быстрее, чем, например, жуки. Правда, пируэты требуют постоянных энергетических затрат, вот и мечутся коромысла над гладью озер, расставив свой ловчий сачок из лапок для поимки зазевавшихся дальних родственников — бабочек, мух, даже других стрекоз. Более молодые в эволюционном отношении стрекозы красотки и стрелки перешли на двукрылый полет, взмахивая лишь задними крыльями.
Наилучшие летуны появились среди самых молодых групп. Точнее говоря, совершенные формы полета породили эти новые группы — перепончатокрылых (осы, пчелы, наездники, муравьи), бабочек и их близких родственников двукрылых (мухи, комары, москиты). Появились они в мезозойскую эру, а наиболее продвинутые формы — в кайнозойскую. Все эти насекомые по своей природе — двукрылы и летают, расположив тело под острым углом к поверхности земли. У них либо существенно сократились размеры задних крыльев (у настоящих двукрылых превратившись в жужжальца — орган ориентации в пространстве), либо обе пары слились в единую несущую плоскость. Одни бабочки ведут преимущественно дневной образ жизни. Благодаря большой площади крыльев и чешуйкам, быстро нагревающимся в солнечных лучах (до 37–45 °C) они парят в теплых восходящих потоках и могут перелетать на огромные расстояния во время сезонных миграций. Другие предпочитают сумеречное время и прогреваются сами за счет высокой частоты взмахов; бражники способны даже зависать над цветком, высасывая нектар без посадки.
Так же неподвижно «застывают» в воздухе двукрылые. При высокой частоте взмахов (до 340 герц, а возможно, и больше) они летают и вбок, и задом наперед, совершают кульбиты, пролетая вверх ногами и садясь на поверхность снизу. Причем все маневры совершают за считанные миллисекунды. Среди прочих «технических» достижений двукрылых следует назвать относительную независимость левого и правого крыльев (одно может совершить полный маховый цикл, а другое замереть), автоматический контроль угла атаки и активную регулировку площади крыльев. В освоении воздушного пространства с ними могут сравниться разве что перепончатокрылые, тоже машущие с частотой более 60 герц. Самое удивительное, что согласно классическим законам аэродинамики шмели к полету совершенно не приспособлены, а они — одни из лучших летунов! Полет у этих групп — очень энергоемок, поэтому все они перешли на высококалорийную пищу — нектар, растительные соки и кровь.
Иначе освоили воздушное пространство мельчайшие из летающих насекомых — некоторые жуки, осы и трипсы. У них крылья утратили сплошность, но зато покрылись опушкой из волосков. Эти насекомые больше полагаются на плотность воздуха, чем на собственные силы, представляя собой настоящий воздушный планктон.
Являясь важнейшим органом насекомых, крылья используются не только в полете, но и для подачи звуковых сигналов, демонстрации себя партнеру (особенно яркие цветастые крылья бабочек и крупных юрских сетчатокрылых) и терморегуляции. Летая, насекомые отыскивают корм (в среднем на расстоянии от 200 до 2000 метров), партнера (нередко и копуляция происходит на лету в прямом смысле этого выражения: у бабочек голубянок и комаров самка тащит «лениво» замершего самца), патрулируют территорию (охраняя ее от других самцов, особенно у стрекоз), выбирают место для откладки яиц или спасаются от врага. Особые навыки требуются при полете роем — координация поведения множества особей достигается благодаря зрительной засечке какого-либо заметного ориентира на местности. Некоторые насекомые, подобно птицам, совершают длительные миграции. Сочетая активные перелеты и пассивные переносы восходящими потоками воздуха, они перемещаются до 100 километров в день (саранча), а то и до 3,5 тысячи километров за 10 ночей со скоростью 1,4 метра в секунду (бабочки-совки). Самый знаменитый мигрант — бабочка-монарх — преодолевает четыре тысячи километров дважды в год. Обычно в дальний путь насекомые направляются сообща. Так, на юге Франции стрекозы сбиваются в стаи, насчитывающие около 400 тысяч особей на квадратный километр.
Отстав от насекомых более чем на 120 миллионов лет, на крыло встали и позвоночные. Видимо, крупные палеозойские насекомые были слишком опасными конкурентами. И сейчас богомолы (карлики по сравнению с хищными пермскими стрекозами) запросто справляются с ящерицами своей размерности. Однако и добыча — крупное насекомое — завидная. Так почему бы не ловить их в воздухе? И в самом конце пермского — начале триасового периода самые разные позвоночные попробовали летать. Интересно, что один из первых среди них — позднепермский архозавр целурозаврав (
«Выдумкой» отличались и другие первые покорители воздушного океана среди рептилий — то есть тех, кто по определению «летать не может». Триасовый шотландский 20-сантиметровый архозаврик склеромохл (
Поделиться книгой: