Помоги проекту - поделись книгой:
Тема взаимодействия движущихся живых существ с водной стихией поистине неисчерпаема. Тут достаточно только немного задуматься, и вопросы посыплются сами как из рога изобилия. Например, как комар летает в дождь? Его решением озаботился доцент Дэвид Ху из Технологического института Джорджии. Конечно, подобно многим, он мог бы пойти по пути наименьшего сопротивления, вспомнить про одного изворотливого политика, который, согласно народной молве, не пользовался зонтиком, потому что обладал способностью просачиваться между струйками дождя[13], и на этом закрыть вопрос. Не таков доцент Ху, который докапывается до самой сути явления. В самом деле, какое тут просачивание между струйками? Огромные, страшные капли падают на хрупкое комариное тельце подобно камням хмепа – хаотического метеоритного потока, с которым столкнулся знаменитый звездопроходец, капитан дальнего галактического плавания, охотник за метеорами и кометами Ийон Тихий[[14] ] во время путешествия на планету Интеропию. Ардриты, ее обитатели, для уменьшения последствий стихийного бедствия придумали технологию дупликации объектов, которую активно использовали. В частности, с помощью этой технологии восстановили самого Ийона Тихого, в которого попал метеорит (после он нашел в своем носке свежую стружку от упаковки). А вот комару на дупликатор рассчитывать не приходится – не создали комары цивилизацию, подобную ардритской. Как он, без всяких технических средств, рассчитывая только на себя, выживает в дожде?
Между прочим, этот вопрос волнует не только комаров – прогресс робототехники настолько стремителен, что в ближайшем будущем можно ожидать массового производства миниатюрных летающих роботов, которые будут помогать солдатам на поле битвы, а спасателям – при поиске жертв в завалах. Очевидно, что такое чудо техники, размером как раз с некрупное насекомое, должно уметь летать во время дождя. Но как? Может быть, комар обладает датчиками, которые позволяют ему обнаружить воздушную опасность и изменить траекторию полета? Может, и роботов нужно оснастить такими датчиками для решения проблемы?
Для поиска ответа исследователи соорудили пластиковую емкость, в которую посадили несколько комаров, настроили высокоскоростную видеокамеру, а затем стали имитировать дождь с помощью душа. Для контроля они впоследствии провели и полевые испытания, изучив полет комаров, живущих на воле. Как оказалось, насекомое не обладает феноменальной чувствительностью к приближающейся сверху опасности и не уворачивается от капель, а, напротив, встречает удар судьбы без малейшего сопротивления. Это его и спасает, наряду с малой массой и крепостью хитиновой оболочки – наружного скелета. "Сила удара зависит от силы сопротивления. Комар же, попав на нижний край капли, к ней прилипает и начинает падать вниз", – поясняет аспирант Эндрю Дикерсон, непосредственно проводивший наблюдения. А что же дальше? Ведь падая со скоростью капли, можно и в землю врезаться – тогда уж точно останется одно мокрое место. Для своего спасения комар проявляет полную непотопляемость: загребая длинными лапками и крыльями, он переползает с нижнего края капли на верхний и взлетает, чтобы снова продолжить лавирование между струйками дождя.
Раз уж речь зашла о комарах, немного отвлечемся и попробуем поискать ответ на вопрос: может ли современная технология помочь в борьбе с этими надоедливыми насекомыми? Конечно, химия снабдила нас таблетками, создающими отпугивающий комаров дым, биология придумала ловушки, завлекающие комаров в свою утробу всякими приятными для них запахами вроде аромата человеческого пота. Однако есть тут неприятность: все это оружие, так сказать, массового поражения. Оно действует на всех комаров, даже тех, которые совершенно не угрожают человеку; страдают от него и невинные добродушные насекомые, которые, может быть, и не покусились бы на человеческую кровь. Тем более что половине из них кровь-то как раз и не нужна – комары-самцы обходятся без нее. И вот для изготовления такого избирательного оружия, соответствующего принципам гуманизма, на помощь приходят физики.
Вспомним Стратегическую оборонную инициативу президента США Рональда Рейгана, знаменитую СОИ, названную еще "программой звездных войн". Суть этой инициативы 1980-х годов – размещение в околоземном пространстве лазеров, которые станут воздействовать на баллистические межконтинентальные ракеты, вышедшие за пределы атмосферы, меняя их траекторию, и таким образом обеспечат полную защиту от ядерного нападения. Но ведь это именно то, что нужно: найти комариху в момент атаки, сбить ее и только ее. И США, и СССР на эту программу потратили много денег, но результата не получили: уж слишком мощный лазер требовался для успешной работы системы. Но вот американский физик и инженер Джордин Кэр, занимавшийся лазерными двигателями, предложил-таки уже в XXI веке использовать давние наработки и организовать систему противомоскитной обороны[15].
Комар – не ракета, его вес и скорость гораздо меньше. Поэтому сбить насекомое можно недорогим лазером, который продается чуть ли не в магазине. Еще для этой системы нужны также имеющиеся на рынке набор оптических элементов и акустические датчики: первые фокусируют луч, а вторые наводят его на источник ненавистного комариного писка. По мнению Кэра, чувствительность системы столь велика, что она может стрелять прицельно в комарих-кровососок, безобидных же комаров лазерный луч не коснется: тембр писка у них различается. Не станут объектом упреждающей атаки и жужжащие насекомые – так удается сэкономить немало энергии. Более того, система распознаёт человека и всяких домашних животных: даже если они окажутся на линии прицеливания, лазерный луч не причинит им никакого вреда.
Это предложение отнюдь не было воспринято как очередная футуристическая фантазия: ему оказали поддержку финансисты из компании Intellectual Ventures, которую основал бывший главный технолог компании Microsoft Натан Мирволд. Видимо, окрыленный таким вниманием, Кэр надеялся на расширение проекта и мечтал о подвешенной на аэростате платформе с лазерными пушками, которые прицельно палят по летучим вредителям полей и огородов, защищая таким образом сельхозугодья без вреда для полезных насекомых вроде пчел и шмелей. И всё без единого грамма ядохимикатов!
На наш взгляд, эта работа вполне соответствует уровню Игнобелевской премии, причем сразу по нескольким номинациям – энтомологии, физики и мира. Но Кэру ее почему-то не присудили, впрочем, решения Игнобелевского комитета, равно как и Нобелевского, не всегда находят рациональное объяснение.
Легко ли плыть в сиропе?
Итак, с бегом по воде и пролетом сквозь струйки дождя разобрались. А как насчет плавания в сиропе? Где человек поплывет быстрее – в сладкой воде или в обычной? Ответ на этот вопрос нашли Эдвард Касслер и Брайан Геттельфингер с кафедры химического машиностроения и материаловедения Миннесотского университета, что принесло им, помимо морального удовлетворения от прекрасно выполненной работы, еще и Игнобелевскую премию по химии за 2005 год.
Как отмечают сами лауреаты в своей эпохальной статье[16], один из них принимал участие в отборочных олимпийских соревнованиях по плаванию и там случайно заметил, что в соленой воде плавать легче. К слову сказать, нам этот феномен объясняли где-то в седьмом классе на уроках физики, когда изучали закон Архимеда, но то нам, а бедолагам-американцам до всего приходится доходить своим умом и на собственном опыте.
В соленой воде из-за увеличения плотности растет выталкивающая сила Архимеда, так что на воде держаться действительно легче. Но из этого отнюдь не следует, что в соленой воде легче, а главное, быстрее плыть, чем в пресной, поскольку у соленой воды не только плотность, но и вязкость выше, чем у пресной.
По признанию лауреатов, в их лаборатории шли жаркие, неутихающие дискуссии о влиянии вязкости на скорость плавания. Единства мнений не было – все участники прений разбились на три группы. Большинство, в основном специалисты по динамике жидкостей, утверждали, что человек поплывет медленнее, ведь на преодоление сопротивления более вязкой жидкости нужно тратить больше усилий. Другие возражали: человек при гребке толкается руками, чем создает тягу, стало быть, чем плотнее жидкость, тем более мощным выходит толчок. Третьи же предполагали, что эти эффекты компенсируют друг друга, отчего плавать в соленой воде не легче и не тяжелее, чем в пресной.
Видимо, обсуждение этого животрепещущего вопроса перешло в такую бурную стадию, что Касслер и Геттельфингер для примирения сторон решились на постановку натурного эксперимента. От соленой воды отказались по той причине, что увеличение ее вязкости относительно невелико и эффект, если он будет обнаружен, мог попасть в коридор ошибок. Нужно было радикальное увеличение вязкости раствора – так родилась идея сладкого сиропа, вероятно, во время поедания блинчиков с кленовым сиропом.
Но тут возникли две технические проблемы. Для надежного измерения скорости плавания дистанция должна быть достаточно большой, как минимум 25 м или ярдов, так как дело происходило в США. А это полноценный плавательный бассейн для соревнований. Причем желательно иметь два таких бассейна, один с сиропом, другой – с обычной водой, чтобы проводить сравнительные испытания в идентичных условиях. А еще лучше – несколько плавательных бассейнов разного объема, чтобы избежать влияния глубины на скорость пловца. То, как удалось исследователям уговорить администрацию выделить им университетский плавательный комплекс для проведения эпохального эксперимента, навсегда осталось загадкой.
Вторая проблема – сладкий состав для плавания. Первым на ум пришел кукурузный сироп. Нашлись и спонсоры, готовые предоставить необходимую для эксперимента тысячу тонн этого вещества, благо его производят и потребляют в США в немереных количествах. Но смыв такого объема сладкого сиропа в канализацию вызвал бы локальную экологическую катастрофу, кроме того, плотность кукурузного сиропа существенно отличается от плотности воды, что непременно исказило бы результаты эксперимента. В конце концов решили использовать природный гелеобразователь – гуаровую камедь. Это вещество часто используют в кулинарии и пищевой промышленности, то есть для человека оно безопасно. Итак, 320 кг камеди растворили в 650 кубометрах воды бассейна, получив концентрацию 0,05 %. Плотность сиропа осталась на уровне плотности воды, а вязкость выросла в два раза.
С чем не возникло никаких проблем, так это с пловцами-добровольцами. Какой студент откажется от возможности принять участие в таком прикольном эксперименте и сделать селфи в бассейне с сиропом? После строгого отбора сформировали команду из десяти пловцов. Каждый из них сначала проплывал 25 ярдов в бассейне с тысячей кубометров чистой воды, спустя три минуты – два раза по 25 ярдов в экспериментальном бассейне и затем, приняв душ, еще 25 ярдов в таком же бассейне с чистой водой. Фиксировали не только скорость, но и такие детали, как время отталкивания от стенки и количество гребков. Результат получился однозначный: вязкость на всем этом никак не отражалась.
Этому было дано вполне научное объяснение. Влияние вязкости на движение чего-нибудь в жидкости передается числом Рейнольдса – произведением характерного размера на скорость движения, отнесенную к вязкости. Для человека оно достигает значения 600. Это значит, что для пловца главное – силы инерции, а не силы вязкости. И жидкость обтекает его тело не ламинарно, а турбулентно, то есть с завихрениями. При таком режиме затрачиваемые усилия пропорциональны квадрату скорости, вязкость же отвечает лишь за 10 % затрат энергии пловца. Вот если бы вязкость увеличить в тысячу раз – в таком сиропе плыть было бы труднее, чем в воде, но, с другой стороны, и толкаться было бы проще. А какой фактор пересилит, так и не удалось выяснить в ходе эксперимента, видимо, вследствие заботы о судьбе канализации в спортивном сооружении.
Интересно, что снижение вязкости подобных сомнений не вызывает. Оно точно облегчит плавание: менее вязкая жидкость не только хорошо обтекает тело, но и отлично сопротивляется движениям рук, то есть интенсивность создаваемых ими вихрей сохраняется. Изготовители костюмов для плавания учитывают этот эффект, обеспечивая спортсмену именно легкость обтекания, то есть дополнительно понижая число Рейнольдса.
А кто-нибудь живет в мире, где число Рейнольдса мало? Как там можно плавать? Да, такой мир существует, и не где-нибудь в мантии Земли, а непосредственно в нас самих. Это мир микроорганизмов. Из-за их размеров вода для них оказывается средой с очень малым числом Рейнольдса. Поэтому движение микробов резко отличается от движения человека или рыбы. Ведь если число Рейнольдса мало, тогда инерция не действует, и, если не прикладывать усилия, сразу остановишься. Но это еще не все: повторяющимися движениями нельзя продвинуться далеко вперед. Вот, например, кальмар, который медленно втягивает в себя воду, а затем быстро ее выбрасывает и получает ускорение. В мире с малым числом Рейнольдса этот фокус не пройдет: независимо от того, быстрое движение или медленное, при заборе воды кальмар станет смещаться назад, а при выбросе – на такое же расстояние вперед и в результате останется на одном месте. Двигаться в таких условиях можно, только если возвратных движений нет вовсе.
Такой движитель известен – это штопор. При его повороте возникает две силы. Одна направлена по касательной к штопору, эта сила для движения не нужна, хоть она и велика. Другая, гораздо меньшая, направлена вдоль оси вращения. Она-то и способна обеспечить тягу при малом числе Рейнольдса. Именно так двигаются жгутиковые микроорганизмы. А также сперматозоиды. Собственно, все мы появились на свет исключительно благодаря тому, что эти мельчайшие частички жизни приспособились быстро перемещаться в мире с малым числом Рейнольдса, энергично вращая своим жгутиком и так продвигаясь к заветной цели.
За сколько секунд можно справить нужду?
Мы не случайно посвятили столько места и времени рассказам о взаимодействии живых существ с жидкостями. Жидкости с их изменчивостью формы сами порой кажутся живыми. Можно часами смотреть на волны, бегущие по поверхности моря, или капающую из крана воду. А вот часами сидеть, уставившись в неподвижную стенку, – это, извините, диагноз. Гидродинамика с ее элегантными уравнениями и неожиданными следствиями неизмеримо интереснее сухого сопромата – так в технических вузах называют курс «Сопротивление материалов».
Не знаем, как у вас, а у нас классические гидродинамические выражения, типа "уравнение неразрывности струи" или "скорость истечения жидкости", всегда вызывали ассоциации с процессом, которому все люди предаются по нескольку раз на дню. Но эти ассоциации никогда не претворялись в желание заняться исследованием столь жизненно важного процесса – вероятно, поэтому мы никогда и не станем лауреатами Игнобелевской премии.
Не таков доцент Дэвид Ху из Технологического университета Джорджии, о котором мы уже упоминали в одном из предыдущих рассказов. Вот у него за мыслью следует слово, а слово не расходится с делом. Он, вообще-то, занимается гидродинамикой и механикой сплошных сред – науками сложными, насыщенными многоэтажными формулами, которые присущи тензорному исчислению и требуют немалого воображения. Видимо, для развития воображения он и поручает своим студентам решать весьма остроумные задачи. Например, изучить гидродинамику потока муравьев, вытекающих из носика чайника подобно потоку воды, или продемонстрировать, что лягушка при ловле мух использует на языке слизь, обладающую свойствами неньютоновской жидкости.
Несомненно, что замеченная нами ассоциация не прошла мимо внимания и доцента Ху. Но у него она породила вполне резонные вопросы: как зависит время опорожнения мочевого пузыря или кишечника от размера живого существа, освобождающегося от этих продуктов жизнедеятельности, а также от количества предварительно выпитого и съеденного? За вопросами последовали исследования: одно посвящено мочеиспусканию[17], второе – дефекации. Оба исследования произвели неизгладимое впечатление на Игнобелевский комитет, что принесло доценту Ху с сотрудниками премию по физике за 2015 год. Кратко результат формулируется так: любое животное опорожняет свой мочевой пузырь примерно за 21 секунду, а время выхода твердых экскрементов составляет в среднем 12 секунд.
Как же это было установлено и в чем причина подобного единообразия, если смотреть на явление с точки зрения механики сплошных сред? Исследователи при поддержке грантов для молодых специалистов Национального научного фонда США и президента университета начали свой тернистый путь к славе с простейшего вида работы – наблюдения за соответствующим процессом у разных животных. Для этого они снимали на видеокамеру акты испражнения обитателей зоопарка Атланты, а также пользовались видеороликами из интернета. Довольно скоро в наблюдениях стала прослеживаться система.
Так, оказалось, что существует два механизма избавления организма от отработанной жидкости. Маленькие животные, весом до трех килограммов, делают это капельками, а большие животные – струйкой или струей, в зависимости от размера. На этом-то этапе и была установлена удивительная закономерность, которая принесла участникам работы почетный нанограмм золота: время испускания мочи у крупных животных оказалось константой, не зависящей от веса: 21±13 секунд. Разброс, конечно, великоват, но кривая распределения имеет привычный колоколообразный вид нормального распределения. При этом различие в размерах животных огромно: у кота объем мочевого пузыря в 3600 раз меньше, чем у слона! Казалось бы, слону нипочем за котом не успеть. Но успевает. Как же это ему удается?
Для поиска ответа была построена ставшая знаменитой математическая модель. Вот ее краткое описание. Представим, что по трубе, длина и диаметр которой соответствуют таковым у мочеиспускательного канала животного, течет поток жидкости. Его движению способствуют две силы: давление мочевого пузыря и сила тяжести, а замедляют его вязкость, сила инерции и капиллярная сила. Давление пузыря удивительным образом представляет собой фундаментальную физиологическую константу: как показали измерения, проведенные зоологами, у млекопитающих оно составляет примерно 5,2 кПа независимо от размеров животного. Гравитационная сила, она же гидростатическое давление, пропорциональна высоте трубы. Сила инерции, или динамическое давление, – квадрату скорости потока. Сила вязкого давления – квадрату скорости потока и отношению длины трубы к ее диаметру. А капиллярная сила, стремящаяся свернуть струю в капли, обратно пропорциональна диаметру трубы.
Для больших животных остается первые три силы, а вязкостью и капиллярной силой можно пренебречь. Тогда получится уравнение, в котором скорость потока выражена через параметры трубы и давление пузыря. Подставив этот результат в формулу для вычисления времени опорожнения мочевого пузыря, которое равно отношению его объема к скорости движения потока и площади поперечного сечения, получаем зависимость от объема пузыря и опять же параметров трубы. А они, как выяснили исследователи из группы Ху, закономерным образом зависят от веса тела: объем пропорционален весу в первой степени, а длина и диаметр мочеиспускательного канала – кубическому корню из веса. Подстановка этих зависимостей в формулу для времени показывает, что оно пропорционально весу в степени 1/6, или примерно 0,16, то есть зависимость от веса все-таки есть, но очень слабая. В общем-то точный расчет времени по экспериментальным данным дает не совсем константу, а именно слабую зависимость – с показателем 0,13. Такое совпадение свидетельствует: модель очень хороша. Из нее становится ясно, почему кот и слон освобождаются от жидкости за одно время: у слона всё больше – и пузырь, и длина канала, и его диаметр. В результате выше вклад силы тяжести, которая увеличивает скорость истечения потока, это и позволяет слону догнать кота в заочном соревновании.
А вот с мышами и крысами все сложнее. У них вклад капиллярных сил очень велик, ведь диаметр канала маленький. Эти силы так запутывают дело, что простую формулу вывести не получается, никаких инвариантов выявить не удается. Это соответствует эксперименту: время мочеиспускания у мелких животных различается двадцатикратно – от 0,1 до 2 секунд! Модель позволила рассчитать и параметры самого маленького животного, способного самостоятельно избавляться от мочи: у него диаметр канала равен 100 мкм. Это соответствует длине канала в 1,7 мм и весу в 0,8 г. Таковы параметры новорожденных мышат – их вес 0,5–3 г. И действительно, мать слизывает у них капельки мочи, которые в соответствии с игнобелевской моделью и не должны сами отделяться от канала. А вот насекомые в принципе не писают: у них продукты азотистого обмена выходят в сухом виде вместе с калом; аналоги почек у насекомых – мальпигиевы трубочки – открываются в кишку, а не во внешнюю среду.
По мнению авторов работы, их исследование – не просто удовлетворение любопытства, оно имеет практическую значимость. Во-первых, многие нарушения мочеиспускания изучают на животных, и теперь в руках медиков есть надежный инструмент для масштабирования полученных данных, чтобы их можно было применять к человеку. А во-вторых, бионический принцип позволит инженерам лучше проектировать масштабируемые гидродинамические системы, ведь мочевой пузырь и связанный с ним канал ничем не отличаются от какого-нибудь нефтехранилища, привязанного к нефтепроводу.
Аналогичную модель удалось создать для объяснения феномена дефекации. Действуя по схожей методике, исследователи из лаборатории доцента Ху определили: у подавляющего большинства млекопитающих, у которых твердые отходы жизнедеятельности выходят единым куском, а не орешками, как у коз или зайцев, имеется свой инвариант: этот процесс в норме (то есть без расстройства кишечника) занимает 12 секунд вне зависимости от веса животного. При этом скорость дефекации пропорциональна кубическому корню из веса, то есть длине животного, поскольку последняя также пропорциональна этому корню. Статистическая обработка данных измерения показывает соответственно, что время дефекации очень слабо зависит от веса – в степени −0,09, то есть чем больше вес, тем меньше время опорожнения, хотя 40-сантиметровая прямая кишка слона в десять раз длиннее, чем у кота.
Причиной такой инвариантности служит подобный найденному в первой работе набор физиологических констант и зависимостей, связывающих некие размеры с весом тела. В данном случае фундаментальной константой для всех млекопитающих стало минимальное давление, оказываемое гладкими мышцами кишечника на выделение в процессе дефекации, – 0,64 кПа; максимальное давление – в семь раз больше. С весом же тела связаны такие геометрические параметры, как диаметр и длина прямой кишки, а также толщина слизи на ее стенках: все они пропорциональны кубическому корню от веса. Интересно, что давление оказалось меньше, чем модуль сдвига твердых испражнений, который находится в пределах от 2 кПа у поссума (сумчатой летяги, не путать с опоссумом!) до 10 кПа у овцы. Иными словами, твердые испражнения не могут деформироваться в процессе выхода, поэтому важнейшее значение в кинематике процесса приобрела слизь – она играет роль смазки, и от нее зависит все.
Подстановка всех зависимостей в формулу для времени дефекации привела к тому, что показатели степеней при весе сократились, то есть время стало пропорционально весу в степени 0 – это оказался истинный инвариант, не то что время деуринации, которое от веса все-таки немного зависит. Однако подстановка значений дала время в 6,5 секунды, что в два раза меньше, чем показал эксперимент. Такое несовпадение, видимо, связано с плохо изученными свойствами слизи. Ее толщину измеряли следующим образом: брали свежие экскременты, которые из-за налипшей на них слизи еще блестели, и взвешивали. Затем ждали, когда блеск исчезнет, и снова взвешивали, предполагая, что слизь испарилась и, значит, разница веса позволит вычислить толщину ее слоя. Такая методика, конечно же, не слишком точна. Еще большую ошибку могут вызвать неточные измерения вязкости этой слизи, ведь в формуле это не коэффициент, а показатель степени.
Впрочем, отсутствие количественного совпадения не препятствует верным качественным выводам. Так, было подсчитано время дефекации человека при поносе; оно оказалось очень малым – 0,5 секунды с момента приложения давления гладкими мышцами кишечника, движение же шло с ускорением, что очень похоже на правду. Интересный результат получился в обратной ситуации – при запоре. Исследователи предположили, что в рамках принятого приближения запор означает отсутствие слизи. В этом случае движение выдавливаемого материала возможно лишь в результате его сдвиговой деформации. Подстановка в расчетную формулу механических характеристик наиболее плотных испражнений дала колоссальное время для этого случая – 524 дня при минимальном давлении и 6 часов при максимальном. Поскольку был взят экстремальный случай – в реальности какая-то слизь обязательно будет, – эта ситуация качественно опять же оказалась недалека от реальности.
Таким образом, теперь благодаря эпохальной серии работ группы Дэвида Ху мы знаем практически всё о механике процессов удаления продуктов жизнедеятельности из организма. Это дает возможность и врачам, и диетологам, рассуждая о путях улучшения жизни человечества, опираться не на слухи, домыслы и личное мнение, а на строгий научный инструментарий.
Скольким детям может дать жизнь мужчина?
Движение сперматозоидов, разобранное нами ранее[[18] ], неизбежно вызывает вопрос о конечной цели их путешествия. Ведь именно от успешности ее достижения зависит, состоится ли таинство зачатия. Увы, современная цивилизация поставила сперматозоид в такие условия, что от него мало что зависит: как бы интенсивно он ни двигал своим жгутиком, шансов достигнуть цели у него практически нет. И вообще, сегодня вопрос, вынесенный в название главки, носит скорее отвлеченно-теоретический характер. Это в стародавние времена количество сыновей у мужчины считалось показателем мужской силы, а самих сыновей считали помощниками в хозяйстве и в бою; их чем больше – тем лучше[[19] ]. Ныне большинство людей предпочитают ограничиваться одним ребенком. И даже любвеобильные граждане, готовые щедро делиться любовью со всеми окружающими особями противоположного пола, концентрируются на процессе, а не на результате.
И хотя наш интерес к этому вопросу носит сугубо ностальгический, даже, можно сказать, атавистический характер, ученые не могли оставить его без ответа. Одно из самых известных исследований в этой области выполнили австрийские антропологи Элизабет Оберзаухер и Карл Граммер из Венского университета[20]. Собственно, они попытались оценить правдоподобность исторических сведений о том, что у марокканского султана Мулай Абу-уль Насира Исмаила ас-Самин ибн Рашида (1645–1727) было 600 сыновей. Но результаты, полученные Оберзаухер и Граммером, выходят далеко за рамки этого конкретного случая, ведь они дают оценку мужской продуктивности в максимально благоприятных для этого условиях – при наличии неограниченного доступа к большой выборке женщин, состоящей из четырех жен и 500 наложниц.
Какими еще данными располагали исследователи? О том, что у султана было 600 сыновей, сообщил французский дипломат Доминик Буснот в 1704 году. На тот момент султану Исмаилу исполнилось 59 лет, с восшествия на престол прошло 32 года, именно эта величина была принята за продолжительность его продуктивной деятельности. Понятно, что сыновьями дело не ограничилось. Были и дочери. К ним султан относился неодобрительно и позволял их сохранять только женам. Дочерей наложниц повитухи душили сразу после появления на свет (ох, не случайно в истории султана Исмаила прозвали Кровожадным). Как бы то ни было, исходя из среднестатистических показателей, число девочек определили в 571, итого общее количество детей – 1171.
К сожалению, доподлинно не известно, какими соображениями в выборе партнерши руководствовался султан при посещении гарема. Поэтому в первом варианте компьютерного моделирования использовали модель "случайных блужданий". При этом вводили естественные ограничения: женщины по физиологическим, а в мусульманских странах и по религиозным причинам выпадают из процесса на пять дней в месяц, еще более продолжительные антракты связаны с беременностью и грудным кормлением, на это заложили полтора года. Исследователи учли также эффект синхронизации месячных циклов у совместно проживающих женщин, что соответствует условиям гарема. Достоверность данного эффекта признают не все ученые, это противоречие исследователи изящно обошли, предположив, что цикл синхронизируется у половины обитательниц гарема. На количество детей отрицательно влияют выкидыши и младенческая смертность, их вклад определили в 15–20 % от общего числа беременностей.
Наибольшие сложности при моделировании представляет учет одного, хорошо всем известного обстоятельства – не каждое совокупление приводит к зачатию. Также хорошо известно, что вероятность зачатия сильно зависит от дня цикла, достигая максимума во время овуляции. Но вот как точно зависит – тут мнения расходятся. Австрийские исследователи использовали две популярные на Западе модели фертильности (Уилкокса – Вайнберг и Барретта – Маршалла), которые дают вероятность оплодотворения при овуляции в 30 и 44 % соответственно. Вряд ли в XVII веке в Марокко были тесты на овуляцию, хотя кто их, древних, знает, но исследователи учли в своей модели еще один общеизвестный эффект – женщины становятся более сексуально привлекательными именно в эти дни. Вообще-то, биологи пока не могут понять, по каким маркерам возможно установление факта готовности женщины к оплодотворению и есть ли такие маркеры. Однако, похоже, султан Исмаил, руководствуясь богатым жизненным опытом и неуемным желанием увеличить число потомков, умел выхватывать своим зорким взглядом овулирующих женщин из шеренги наложниц. Вероятность этого исследователи оценили в 60 %.
Рассмотрели они и еще одну модель – индуцированной овуляции. Ее предложил немецкий врач Вольфганг Йохле, который проанализировал статистику беременностей жен военнослужащих во время Первой и Второй мировых войн. Военнослужащие в ходе передислокации частей попадали домой буквально на один-два дня, но при этом достигали желаемого результата. Йохле объяснил это тем, что физическая близость с долгожданным супругом индуцировала овуляцию у женщин со всеми вытекающими последствиями. Ситуация чрезвычайно схожа с гаремной, где наложницам долгие месяцы приходится ждать, пока султан разделит с ними ложе. Справедливости ради отметим, что эту модель проверяют много лет и до сих пор, даже используя новейшие методы, не могут ее ни подтвердить, ни опровергнуть.
Проблемы в зачатии связаны не только с женщинами, но и с самим султаном, который на протяжении этого сверхдлинного марафона становился все старше, а продуктивность его спермы – все ниже, исследователи оценили это падение в 1,52 % в год. Учли они и такой ненаучный фактор, как любовь, когда султан довольно продолжительное время уделял внимание только одной наложнице. А также приняли во внимание возможное формирование группы фавориток (из 11 женщин), которые пользовались наибольшим расположением султана.
Все эти данные были заложены в компьютер, и вот что получилось после многочисленных итераций. Султан Исмаил таки мог произвести 1171 ребенка, для этого ему надо было осуществлять в среднем один половой акт в день на протяжении 32 лет. Если совсем точно, то по моделям Уилкокса – Вайнберг, Барретта – Маршалла и Йохле султану надо было заниматься любовью 1,43, 1,62 и 0,83 раза в день соответственно. Интересно, что влюбленность в реалиях гарема плохо влияет на продуктивность – последняя существенно падает. Вот к чему приводит сосредоточение внимания на одном объекте страсти и пренебрежение обязанностями по отношению к народу. Фаворитки, наоборот, способствуют росту продуктивности.
Тут возникает естественный вопрос: а нужен ли столь большой гарем для достижения поставленной цели в 600 сыновей? Нет, не нужен, отвечают австрийские исследователи, в зависимости от использованной модели вполне хватило бы 65–110 женщин, увеличение числа женщин сверх этого количества не приводит к росту числа потомков.
Что нам совершенно непонятно, так это сетования австрийских исследований на непроизводительные расходы, которые повлекло содержание избыточного гарема. Нельзя же все мерить деньгами! Кроме того, надо и о женщинах думать, об их здоровье. Ведь при секвестированном бюджете, который нам предлагают австрийские исследователи, каждой женщине пришлось бы рожать в среднем более десяти детей. Это все-таки большая нагрузка на организм.
Несмотря на отмеченный недостаток, работа Элизабет Оберзаухер и Карла Граммера заслужила высокую оценку специалистов, и им была присуждена Игнобелевская премия по математике за 2015 год.
Зачем нужны поцелуи?
Зачатие зачатием, а каково место поцелуев в жизни человека? Из серии работ Киматы Хаджиме[21] из отделения аллергологии киотского госпиталя Удзитакеда, ставшего лауреатом Игнобелевской премии по медицине за 2015 год, следует однозначный вывод: поцелуи помогают человеку улучшать статус своей иммунной системы. Стало быть, они представляют собой не пустую забаву – или, как некоторые говорят, никчемное слюнокачание, – а жизненную необходимость.
В поисках ответа на вопрос "Зачем же нужны поцелуи?" доктор Кимата изучил их влияние на кожную аллергию. Видимо, по долгу службы ему не раз приходилось лечить людей от этой неприятной болезни, и целью исследования был поиск нетривиального способа облегчить их страдания. Еще в 2001 году Кимата обнаружил, что симптомы аллергии уменьшаются после просмотра кинокомедий. И вот в 2003 году он пришел к мысли изучить поцелуи как более мощный генератор положительных эмоций.
Для этого доктор Кимата подобрал три группы из добровольцев как с разными типами кожной аллергии, вызываемой пыльцой растений или пылевыми клещами, так и здоровых, затем разбил их на пары, и те, уединившись за закрытыми дверями, полчаса обнимались и целовались под расслабляющую музыку. А в ходе эксперимента у них брали пробы крови и измеряли в них уровень веществ, свидетельствующих о степени аллергической реакции. Спустя две недели опыт повторили, но теперь участникам под ту же музыку можно было только обниматься, а целоваться – ни-ни.
И оказалось – да, действительно, положительные эмоции, связанные именно с поцелуями, у пациентов с аллергией снижали уровень соответствующих веществ в крови, а у здоровых состав крови никак не менялся. Это лишний раз подчеркнуло: дело вовсе не в том, что в организм попала слюна другого человека со своими специфическими, присущими только ему веществами, а в том, что на такое проникновение иммунная система дала бы достойный аллергический ответ.
На этом достижении Кимата не остановился и в 2004 году продолжил опыты, изучая влияние на аллергию и более близких, нежели поцелуи, человеческих отношений. Пары из добровольцев опять на полчаса уединялись за закрытыми дверями, где совершали таинство любви, медики же до и сразу после брали у них пробы крови и проводили тест на аллергию. И опять положительные эмоции от такого времяпрепровождения снижали у страдающих от аллергии пациентов реакцию на пыльцу или пыль, а у здоровых никаких изменений в работе иммунной системы замечено не было. В общем, похоже, что благодаря исследованиям доктора Киматы под известное прозрение Лолиты из одноименного романа В. В. Набокова "хорошо против прыщиков на лице" подведена совершенно новая научная база.
А может быть, загадочное отсутствие при поцелуях иммунной реакции на чужеродные белки, да и генетический материал, всегда присутствующий в слюне, связано с тем, что слюна – очень едкая жидкость и всякие признаки чужой жизни в ней очень быстро исчезают? Такая точка зрения существовала достаточно долго и сильно огорчала судмедэкспертов. Ведь для них порой лишь наличие чужого генетического материала во рту жертвы могло бы свидетельствовать о том, что несостоявшаяся попытка изнасилования действительно имела место быть, что речь об оговоре не идет. Поиском ответа на вопрос "Сколько времени генетический материал из слюны одного человека может после поцелуя сохраняться во рту другого человека?" занимались коллеги доктора Киматы – словацкий коллектив во главе с Натальей Комодьевой[22] из братиславского Университета Коменского, разделивший с ним честь быть удостоенными Игнобелевской премии по медицине за 2015 год.
В их исследовании участвовали 12 мужчин, которые в течение двух минут интенсивно целовались с женщинами, чью слюну, отобранную спустя одну, пять, десять, тридцать и шестьдесят минут, и проверяли на наличие мужской ДНК. Как оказалось, дела судмедэкспертов обстоят не то чтобы блестяще, но и не безнадежно. Действительно, прямой анализ показал, что спустя пять минут в большинстве – восьми – образцах слюны мужской ДНК уже не было, а спустя полчаса – ее не было ни в одном из них.
Но вот применили современный метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), который способен даже из единичной молекулы синтезировать вполне достаточное для анализа количество вещества. И оказалось, что эти следы есть. Через пять минут после поцелуев лишь один мужчина ускользнул от потенциальной ответственности – его следы полностью исчезли из слюны партнерши. Спустя полчаса выбыл еще один участник. Однако и через час – время, за которое при благоприятном стечении обстоятельств можно успеть начать расследование, – пропали следы лишь четырех мужчин из двенадцати. При этом из оставшихся лишь в одном случае идентификацию этого следа провести не удалось. То есть, если бы проходило настоящее расследование, семь человек были бы сразу уличены в совершении преступления, а пятерых ожидало продолжение следственных действий.
Эта интереснейшая работа тянет за собой шлейф новых вопросов, дающих возможность для настоящих ученых продолжить свою деятельность по разгадыванию головоломок. Например, в чем же отличие того единственного мужчины, слюна которого уже через пять минут не оставила никаких следов? Ну да его решением, видимо, придется заняться какому-то сыщику, у которого из-за данных ДНК-экспертизы не будут сходиться концы с концами. А судмедэкспертам теперь, после работы игнобелевских лауреатов, стало ясно: совершенствуя методы, можно найти и не такую иголку в стоге сена.
Как живые существа ориентируются в пространстве?
В заголовок вынесен типичный вопрос на засыпку. Тут только с человеком все более-менее понятно: любой школьник вам скажет, что люди ориентируются в пространстве по GPS-навигатору. А как выкручиваются насекомые, рыбы, птицы и млекопитающие, братья наши меньшие, у которых нет не то что вышеозначенного навигатора, но даже завалящего компаса?
Возьмем жука-навозника, обитающего в африканских пустынях, – скарабея. Это неутомимое существо катает по песку шарики из навоза. Цель же – найти укромное местечко, где можно шарик спрятать и, отложив туда яйцо, быть спокойным за судьбу потомства, обеспеченного запасом питательного корма.
Однако есть у скарабея очевидная проблема. Как и все живые существа, он несимметричен. Эта асимметрия способна сыграть с ним злую шутку, как с заблудившимся в лесу человеком, лишенным навигатора: из-за того что у человека длина ног разная, он, не имея ориентиров, будет упорно и строго идти только вперед, но траектория его движения окажется дугообразной и в конце концов сомкнется в окружность.
Аналогично и скарабей – если он не будет ориентироваться, то станет двигаться по окружности, то есть по многу раз проходить уже осмотренные, не подошедшие для закладки катышка навоза места, и никогда не размножится. Однако размножается! Значит, у него есть какой-то ориентир среди бескрайних однообразных песков, где даже глазу человека-то не за что зацепиться, не то что фасеткам маленького жука.
Удивительно, но это существо показало себя подлинным обитателем Вселенной (недаром древние египтяне боготворили скарабея), ведь ориентиром для него оказалась сама по себе Галактика – Млечный Путь.
Это интересное обстоятельство выяснил творческий коллектив из шведских и южноафриканских исследователей во главе с Марией Даке (Лундский и Витватерсрандский университеты), получив за работу заслуженную объединенную Игнобелевскую премию по биологии и астрономии за 2013 год.
Для исследования они построили полигон – арену двухметрового диаметра с непрозрачными темными стенками высотой в метр. В центр арены аккуратно сажали жука с навозным шариком и измеряли, за какое время он под ночными небесами доберется до стенки: если путь проходит по прямой, то время окажется минимальным. Конечно, Луна служила самым лучшим ориентиром, и в полнолуние жуки демонстрировали рекордные результаты – около 21 секунды. Звездное небо без Луны, впрочем, также было неплохо – 41 секунда. А вот если неба не было видно, то жук блуждал в два-четыре раза дольше – от 90 до 150 секунд. То есть жуку для ориентировки явно нужны звезды. Но какие? Что он такого важного видит на небе, где не всякий человек сможет найти нужную звезду несмотря на советы "Гугла"?
Для выяснения подробностей арену с жуками перебазировали в планетарий Йоханнесбурга, на куполе которого можно зажечь до 4000 звезд. Там жукам включали и полное небо, и только Млечный Путь, и 18 самых ярких звезд, и их же в окружении слабых – в общем, перебрали все пришедшие в голову комбинации небесных светил. И оказалось, что Млечный Путь и есть самый главный ориентир в отсутствие Луны – вся Галактика целиком, именно в этом случае жук добирался до края арены за 40–50 секунд. А вот только яркие звезды заставляли его блуждать по полторы минуты. Контрольной группой послужили другие южноафриканские жуки-навозники, за которыми наблюдали в природе. Дело в том, что осенью на юге континента Млечный Путь едва виден над горизонтом. И если в это время не было Луны, то свободно живущие жуки теряли ориентацию.
Как же видит жук нашу Галактику? Скорее всего, как яркое пятно на небе: фасетки его глаза не способны различать отдельные звезды. Кстати, авторы исследования отмечают, что аналогично ориентироваться по Галактике должны и другие ночные насекомые и даже земноводные. Правда, пока что только с навозниками удалось поставить столь тщательной опыт с привлечением передовой техники вроде планетария.
Звезды звездами, но что у нас с магнитным полем? Есть ли какая-то ясность, используют его разные живые создания для ориентации или нет? Многие пытались найти ответ на этот вопрос, но поиски скорее порождают новые проблемы, чем дают ответы. Например, австралийский ихтиолог Грэхем Хейс из Университета Суонси проанализировал канадскую статистику, посвященную изучению путей возвращения атлантических лососей в родную реку в районе Ванкувера. И статистику немалую – полвека наблюдений. Суть же их такова.
Перед устьем реки в океане лежит остров, обходить который можно как с севера, так и с юга. Однако год от года большинство рыб выбирают только один из этих путей. С чем же это связано? Ведь считается, что рыбы, как и птицы, и черепахи – в общем, все, кто совершает дальние путешествия, запоминают некую магнитную карту. Она-то и приводит их к цели. Почему же в один год карта ведет их в обход острова сверху, а в другой – снизу? "Эврика!" – воскликнул Грэхем Хейс, разобравшись в физике явления: карта-то не постоянна. Магнитное поле Земли весьма переменчиво. Мало того что его полюса скользят со скоростью в несколько десятков километров в год, так ведь еще имеются как кратковременные, так и долговременные, вековые, изменения его напряженности и склонения. Очевидно, что карта, запомненная рыбой одного года рождения, будет отличаться от той, что возникнет в голове рыбы другого года. Вот они и обходят остров с разных сторон, пользуясь картой, которая уже не соответствует магнитному рельефу.
Ну вот, решение найдено, все отлично, ориентация по магнитному полю доказана. Как бы не так! Ведь есть существа, которые находят дорогу к месту рождения спустя десятилетия, как те же черепахи. За 20 лет магнитный полюс уползет на многие сотни километров, и карта станет совсем иной. Как при такой путанице черепаха сможет ориентироваться? Совершенно неясно.
Трудности с пониманием механизма взаимодействия живых существ с магнитным полем порой приводят к очень остроумным экспериментам, а их авторы получают заслуженную награду. Например, исследование ориентации тел собак относительно геомагнитного поля во время испражнения Игнобелевский комитет удостоил премии по биологии в 2014 году. Получил ее большой творческий коллектив – двенадцать чешских зоологов и физиков во главе с Хайнеком Бурдой, работающим в пражском Чешском университете наук о жизни и Университете Дуйсбурга – Эссена[23]. Ранее этот же коллектив изучал магнитное упорядочение коров, стоящих и лежащих на пастбище, оленей в лесу и охотящихся лис.
Казалось бы, изучить упорядочение испражняющихся собак несложно. Собери добровольцев, вручи каждому компас, и пусть они во время прогулок с питомцами фиксируют ориентацию тела собаки относительно стрелки компаса в момент освобождения от продуктов жизнедеятельности. Остается проанализировать данные и убедиться, что собаки не хуже лис или коров ощущают магнитное поле. Прелесть методики в том, что какое-либо неосознанное влияние человека на выбор ориентации невозможно – она определена процессами, протекающими в собаке.
Но не тут-то было. Проведя по полторы тысячи измерений ориентации во время дефекации и мочеиспускания для собак обоих полов (в эксперименте принимали участие 42 суки и 28 кобелей), авторы работы оказались у разбитого корыта. Никаких явных следов магнитного упорядочения собак замечено не было: точки вполне равномерно распределились по окружности компаса.
Однако настоящий ученый тем и отличается от дилетанта, что никогда не останавливается перед трудностями. Отсутствие яркого эффекта в данном, да и во многих других случаях совсем не показалось удивительным. В конце концов ведь очевидно, что все яркие эффекты естествоиспытатели обнаружили в XIX веке, самое позднее – в первой половине XX века. Тем же, кто стоит на плечах гигантов прошлого, осталось искать эффекты, невидимые невооруженным глазом. Впрочем, от этого ничуть не менее значимые.
Как выделить что-то внятное из безнадежно-равномерного распределения ориентаций? Правильно, нужно сделать выборку. Выборка по половой принадлежности собак ничего не дала – и кобели, и суки располагались одинаково хаотично. Может быть, солнце путает все планы и заставляет собаку сидеть так, чтобы оно не слепило ей глаза? Обстоятельство немаловажное, ведь, как отмечали классики, живое существо во время испражнения весьма беззащитно и ему приходится быть начеку, а если солнце заставляет жмуриться – можно прозевать опасность. Эту гипотезу сочли несостоятельной по двум причинам. Во-первых, зрение у собак так себе, эти животные больше полагаются на тонкий слух и прекрасное обоняние. А во-вторых, солнечный день в Чехии и Германии выпадает хорошо если через два дня на третий. Стало быть, солнце могло спутать магнитные планы собак от силы в трети случаев. Да и выборка по пасмурным дням не дала интересного результата – распределение оставалось все таким же уныло-однородным.
А что, если посмотреть на магнитную погоду? Ведь геомагнитное поле складывается из двух составляющих: статической, определяемой собственным полем Земли, а также магнитными аномалиями, которые вызваны неравномерным распределением ферромагнетиков в земной коре, и динамической, определяемой колебаниями ионосферы под действием солнечного ветра. Есть и еще один возмущающий фактор: межпланетное магнитное поле, создаваемое Солнцем. Все эти факторы учитывают при измерениях магнитного поля Земли, которые постоянно ведут в магнитных обсерваториях. Из-за динамической составляющей вектор напряженности суммарного поля постоянно меняет направление относительно того, что задано статической составляющей. И вот тут ученым улыбнулась удача: в те дни, когда поле было невозмущенным (отклонение его вектора было менее 0,1° относительно статической составляющей), собаки во время испражнения стремились ориентировать свое тело вдоль силовой линии, соединяющей северный и южный магнитные полюса Земли.
Нельзя сказать, что ориентация была строгой, статистический разброс составил примерно 50°, но это было гораздо лучше, чем в дни с сильными возмущениями. Когда же провели усреднение по одной и той же собаке – для тех, у которых было не менее пяти измерений, – разброс вообще упал до 29°. Справедливости ради стоит отметить, что, когда отклонение поля оказывалось в пределах 2°, на диаграмме появлялся некий слабый пик данных с ориентацией перпендикулярно геомагнитному полю, но статистическая значимость этого эффекта оказалась слишком мала, чтобы всерьез его обсуждать.
Однако какого же результата добились игнобелевские лауреаты, потратившие немало времени на свою работу? Неужели столь уж важно, как ориентируют свое тело собаки во время очистительной процедуры? Выводов можно сделать два.
Самый главный: при проведении работ по изучению влияния магнитного поля на живых существ нельзя не учитывать магнитную погоду. Вот цитата из статьи: "В частности, важен тот факт, что даже малые флуктуации магнитного поля Земли могут изменять поведение и что нормальные магнитные условия, при которых собаки демонстрируют свое особое поведение, присутствовали всего в 30 % случаев. Если экстраполировать это на других животных и на другие опыты по магниторецепции, то появляется объяснение плохой воспроизводимости результатов одних опытов и большого разброса данных других. Ученые, исследующие поведение животных, должны пересмотреть свои эксперименты и наблюдения с учетом этих фактов, а также учитывать их при планировании будущих работ"[24].
Ну а второй вывод: да, собаки чувствуют магнитное поле Земли, и с помощью достаточно простой методики можно тщательно изучать этот феномен. Тем более что собаки – вполне традиционные лабораторные животные, с ними легко и просто работать. Не то что с волками, лисами, черепахами, ящерицами, омарами, ласточками, крачками, малиновками, тритонами, пчелами, шмелями, муравьями, бабочками и прочими видами, у которых обнаружена склонность к взаимодействию с магнитным полем Земли.
А как они это делают? Как чувствуют ничтожное магнитное поле? Это – предмет длительной научной дискуссии, итоги которой до сих пор не подведены. Существование магниторецепции – восприятия магнитного поля, – по крайней мере у некоторых видов животных, не вызывает сомнений, при этом поиски механизма порой кажутся столь бесперспективными, что авторы одного из свежих обзоров проблемы назвали его "чувство без органа чувств"[25].
Сама по себе идея магниторецепции появилась давно. В 1855 году русский зоолог Александр Миддендорф писал о перелетных птицах: "…подобно тому, как на корабле есть магнитная стрелка, эти моряки, бороздящие воздушный океан, имеют внутреннее магнитное чувство, которое может быть связано с гальванически-магнитными токами". Спустя сто лет, когда техника эксперимента существенно продвинулась вперед, зоологи Фридрих Меркель и Вольфганг Вильчко из Франкфуртского университета, поставив опыт с малиновками, доказали, что те ориентируются в полете по направлению магнитного поля[26].
После решения принципиального вопроса – да, явление существует – оставалось найти сам магниточувствительный орган или хотя бы магниторецептор, и проблема оказалась бы решена. Исследователям отчасти посчастливилось – они нашли намеки на целых два механизма, однако доказать, что именно с их помощью животные чувствуют магнитное поле, пока не удается. Какие же это намеки? Современная наука не приветствует и подробно не рассматривает идею Миддендорфа о гальванических токах, а они неизбежно, в силу закона электромагнитной индукции Фарадея, должны возникать при движении сквозь магнитное поле проводника, то есть насыщенного ионами тела птицы или пчелы. Вместо этого задействованы, так сказать, статические идеи.
Согласно первой, внутри некоего органа животного или непосредственно внутри его клеток находятся магнитные частички. Желательно, чтобы они были неравноосными (вытянутыми) и монокристаллическими. Их размер не велик и не мал, а как раз такой, чтобы в каждой частице размещался один и только один магнитный домен (то есть область, в которой все магнитные моменты атомов направлены в одну и ту же сторону; большая частица разбивается на несколько доменов с разной ориентацией моментов, и ее суммарный магнитный момент, усредняясь, снижается), но в то же время, чтобы тепловые флуктуации не нарушали магнитный порядок слишком малого числа атомов. При изменении направления магнитного поля частичка должна повернуться – разместить свой магнитный момент по полю, а это вызывает механические искажения вмещающей ее клетки. Если же частичка не одна, тогда должны возникать цепочки намагниченных частиц, и поле станет менять конфигурацию уже этих цепочек, что опять-таки меняет форму клетки и растягивает мембрану так, что открывается какой-то ионный канал.
Для подтверждения этой гипотезы нужно найти магнитные частицы минерала магнетита (смесь оксидов двух– и трехвалентного железа) с подобными характеристиками и содержащие их клетки, связанные с нервной системой. И действительно, магнетит в теле обнаружен у многих животных и даже у людей, хотя последние в магниторецепции не замечены. Например, Джозеф Киршвинк и его коллеги из Калифорнийского технологического института выяснили[27], что в одном грамме человеческого мозга содержится не менее пяти миллионов однодоменных магнитных частиц – примерно четыре нанограмма. При этом большинство их имеет размер в 10–70 нм, а небольшая доля – существенно крупнее, под полмикрона. В мягких же оболочках мозга магнитных частиц примерно в 20 раз больше. Современные данные, впрочем, дают более высокие значения. В тканях жителей таких загрязненных городов, как Мехико или Манчестер, находят до 12 мкг/г подобных частиц, то есть в тысячи раз больше, чем в Калифорнии начала 1990-х[28]. Возникает мысль, что частицы магнетита не синтезируются в организмах городских млекопитающих, а проникают извне, например при вдыхании выхлопных газов дизельных двигателей. Хотя наличие больших и малых частиц при отсутствии средних подсказывает, что происхождение у тех и других может быть разным. Ну а пришедшие извне частицы вряд ли могут отвечать за какой-то орган чувств – очень уж это выходит ненадежно.
Где именно, в каких клетках мозга человека расположены магнитные частицы, выяснить пока что не удалось, равно как и не удалось найти "магнитные" клетки у животных, исследовать которых гораздо проще. Зато в межклеточном пространстве и в клетках иммунной системы – макрофагах, которые предназначены как раз для того, чтобы удалять из организма всякую крупную дрянь, – магнетитовые частицы имеются. Однако ни там, ни там они не могут передавать информацию нервной системе, а без этого какой может быть орган чувств? Да и скопления частиц во многих случаях находят вовсе не в мозге. Вот у пчел они сосредоточены в брюшке, и это, как показал опыт, ничуть не мешает магниторецепции[29].
Сначала пчел приучали брать мед из кормушки с магнитным полем. Через пару дней они так к этому привыкали, что искали мед именно там, где было магнитное поле. Затем пчелам перерезали нерв, который соединяет брюшко с грудью, то есть лишили магнитики из брюшка возможности передавать информацию с помощью нервной системы. Магнитное чувство у пчел пропадало, но мед они прекрасно забирали из кормушки, видимо, ориентируясь уже только на запахи. То есть магнетитовая система вполне работала, но, как именно магнитики в брюшке сообщали насекомому о присутствии поля, осталось загадкой. Авторы так и пишут: "Наши данные доказали, что магнетит играет важную роль в магниторецепции пчел. Однако связь железосодержащих клеток с нервной системой не установлена".
Зато у муравьев магнитики нашли у основания усиков – все-таки поближе к прочим органам чувств. Есть мнение, что усики общественных насекомых должны стать объектом пристального внимания исследователей магниторецепции.
В общем, замечательная магнетитовая гипотеза, казалось бы подтвержденная находками магнитных частиц в самых разных частях тела живых существ, благополучно разваливается при внимательном рассмотрении: нет ни чувствительных клеток, ни механизма измерения поля, ни способа передачи информации в мозг, ни понимания, какую информацию надо передавать – о напряженности поля, о его широтном или долготном склонении и т. п. В поисках выхода приходится пускаться в фантазии.
Например, предполагать, что такая частичка служит в качестве крышечки ионного канала: приоткрываясь под действием поля, она освобождает путь движению ионов сквозь мембрану чувствительной клетки, и та передает возбуждение в нервную систему[30]. Расчет показывает, что изменений магнитного поля Земли вполне хватает для перемещения такой крышечки, а силы белка-пружинки, приделывающего ее к мембране, – для последующего закрывания канала. На логичный вопрос: «Что же никто таких крышечек не видел?» – следует ответ: «Надо тщательнее смотреть, все-таки частички очень маленькие, увидеть их непросто». Тем более когда неясно, какие именно клетки требуют столь тщательного осмотра – клетки мозга или брюшка.
Альтернативный механизм связан со спиновой химией и основан на еще одном твердо установленном факте: у птиц, насекомых, земноводных способность чувствовать магнитное поле зависит от освещения – если его нет или если фильтром вырезана сине-зеленая область, то никакой магниторецепции не будет. Наверное, одними из первых соответствующие эксперименты провели уже упомянутые Вольфганг Вильчко и Росвита Вильчко с малиновками, благо методика изучения их магниторецепции была хорошо отработана. В новых опытах птиц освещали монохроматическим светом с разной длиной волны, и по мере отхода от синей области они теряли способность ориентироваться по магнитному полю[31]. Позднее подобные опыты проводили с огромным числом птиц, животных и насекомых. Важная роль света подсказывает, что чувствительный орган находится где-то в глазу, но там никакого магнетита пока что найдено не было. Зато там есть белки-фоторецепторы. На один из них, реагирующий на синюю и ультрафиолетовую часть спектра, – криптохром – и обратили внимание исследователи.
Этот белок знаменит тем, что он – одна из "шестеренок" циркадных часов и отвечает за их подстройку по солнцу. Однако криптохром еще и фоторецептор, причем единственный, способный давать долгоживущую пару радикалов. Время ее жизни, как и способность к образованию связей с другими молекулами, зависит от спинового состояния образовавшихся неспаренных электронов. Магнитное же поле способно это состояние менять. Поэтому изменения в поведении криптохрома могут лежать в основе магниторецепции. В таком случае обладающие этой способностью животные и насекомые непосредственно видят магнитное поле. Нам – существам, лишенным такого чувства, – понять, как все это выглядит, невозможно. Но можно пофантазировать примерно так. При повороте головы меняется ориентация молекул криптохрома относительно геомагнитного поля. Тогда, согласно базовой гипотезе радикальной магниторецепции, меняется действие этого рецептора: пары радикалов схлопываются либо какой-то белок отцепляется от него. Коль скоро криптохром связан с восприятием синего и ультрафиолетового света, то формируемая им картинка в мозгу становится более или менее синей в зависимости от того, как изменилось положение глаза относительно магнитного поля. Птица фиксирует это изменение и выправляет курс.
Проверяется световая гипотеза просто. Птиц или дрозофил приучают реагировать на магнитное поле, затем выключают синий свет, и сразу вся выучка пропадает, когда его снова включают – возвращается. Другой способ: взять нормальных дрозофил и дрозофил с дефектным геном, кодирующим криптохром, и посмотреть, как магнитное поле влияет на их поведение – например, способность к ухаживанию за самками[32]. У нормальных дрозофил сильное поле резко усиливает любвеобильность самцов, а на дефектных никак не сказывается. Вывод: дефектные не обладают магниточувствительностью.
Казалось бы, это доказывает неопровержимость радикальной гипотезы, и она оказывается прекрасной теорией, неплохо вписывающейся в экспериментальные данные. Однако есть серьезные возражения. Самое главное – предполагаемый механизм спиновой химии для слабого магнитного поля Земли до сих пор не продемонстрирован, его работоспособность зафиксирована для гораздо больших напряженностей магнитного поля.
Усложняют картину и животные, выпадающие из необходимых теоретикам закономерностей. Скажем, восточноамериканский краснопятнистый тритон обладает магниторецепцией не в одном, а в двух световых диапазонах – сине-ультрафиолетовом и близком к инфракрасному. Чтобы вписать его в концепцию, приходится придумывать весьма замысловатые превращения все того же криптохрома.
Наконец, многие магниточувствительные существа обходятся без света, например те же шмели, которые прекрасно ориентируются ночью. Есть данные, что некоторым птицам достаточно лунного света, но вот полярная крачка целый месяц летит из Арктики в Антарктику, не прекращая полет на ночь, то есть по меньшей мере четверть срока такого полета она почти лишена света Луны. А ведь если именно магниторецепция отвечает за прокладывание маршрута, но в темноте она не работает, то ночной безлунный полет точно собьет птиц с цели. Ну, разве что они используют Млечный Путь подобно жукам-навозникам.
Для выхода из этой тупиковой ситуации некоторые исследователи допускают одновременное существование разных механизмов. Например, Вольфганг и Росвита Вильчко уверены, что у птиц правый глаз с помощью радикального механизма определяет направление движения, а расположенные в спине частички магнетита помогают распознать местоположение[33].
В общем, как видно, до разгадки тайны магнитного чувства пока что очень далеко. Может быть, простые и надежные опыты вроде наблюдений за упорядочением псов во время дефекации помогут найти путь к научной истине или хотя бы к непротиворечивой рабочей модели.
Поделиться книгой: