Помоги проекту - поделись книгой:
2.8. Протозвезда у тихоокеанского крота. Короткие валики с органами Эймера не отделены от носа и направлены назад. На раннем этапе развития эмбриона звездоноса звезда выглядит почти так же
Загадка внутри головоломки
Итак, кусочек эволюционного пазла под названием «как» встал на место, но вопросов стало еще больше. Для чего эволюционировала звезда? Иными словами, какие преимущества она дает кроту? Да, можно ответить, что у звездоноса очень, очень, очень хорошо развито осязание. Но этот тезис ни к чему нас не приводит. Судите сами: в лаборатории мы кормим кротов дождевыми червями, и они, безусловно, обнаруживают их с помощью звезды. Но мы сами легко можем обнаружить червя своими обычными пальцами. Для этого не нужно осязательное «око» из 25 тысяч органов Эймера и 100 тысяч нервных волокон.
Следующие ключи к разгадке я получил, когда уже руководил своей лабораторией на кафедре биологии Университета Вандербильта. Важной зацепкой стала статья Уильяма Гамильтона, написанная в 1931 году11. Ученый работал в Корнеллском университете и был неравнодушен к звездоносам. В частности, он изучил содержимое их желудка и выяснил, что звездоносы предпочитают мелкую добычу, например личинки насекомых, которые в изобилии встречаются в ручьях и болотах – привычной среде обитания наших кротов. Это совпадало с моими полевыми наблюдениями: я не видел в пенсильванских болотах ни одного дождевого червя, достаточно крупного, чтобы насадить на крючок. Зато там в изобилии водилась добыча поменьше.
Памятуя о работе Гамильтона, я решил проверить, насколько успешно звездоносы используют свою окоподобную звезду для обнаружения очень мелкой еды. Сложность заключалась в том, что звезда двигается слишком быстро, поэтому видео, снятое обычной камерой с частотой 30 кадров в секунду, оказалось совершенно неинформативным. Пришлось купить высокоскоростную камеру с частотой съемки 1000 кадров в секунду.
Я снимал звездоносов, а моя лаборантка Фиона Ремпл просматривала видео и измеряла перемещения звезды при «анализе» разных типов добычи. Сказать, что крот действовал быстро, – значит ничего не сказать. Звездонос находил еду одним прикосновением звезды, ощупывал ее одиннадцатыми отростками, решал, что ее можно съесть, съедал, начинал искать новую – и все это примерно за 230 миллисекунд. И это еще в среднем, а самым коротким зафиксированным временем стало 120 миллисекунд, то есть чуть больше одной десятой секунды! За такое время человек в буквальном смысле не успеет моргнуть глазом.
Скорость просто невероятная, и это не преувеличение: я действительно не мог поверить своим глазам. Я даже проверил настройки камеры, но, разумеется, все было в порядке. Просто звездоносы чрезвычайно быстрые.
Мне удалось поразмышлять над этим феноменом во время ежегодной конференции Нейробиологического общества в Вашингтоне. Пять дней, 30 тысяч участников, бесконечные ряды стендовых докладов, дискуссии, лекции, всего и не перечесть. Вы, наверное, думаете, что на этом фоне на меня снизошло озарение, но на самом деле все было не так. Уже через пару дней мне понадобилась передышка, а ближайшим относительно тихим местом в районе Дюпон-Сёркл оказался букинистический магазин
Изучая шкафы с биологической литературой, я наткнулся на книгу «Теория фуражирования» (
Основная переменная для моделирования решения хищника – «рентабельность» добычи, то есть ее калорийность, поделенная на «время обработки» (то есть время, затраченное хищником на охоту и поедание добычи). Представьте, что вы очень-очень голодны. В этой ситуации разумнее съесть гамбургер, а не добывать мясо краба из клешней с помощью молоточка. Даже при равной калорийности гамбургер выгоднее – не зря же «Макдоналдс» зовется рестораном быстрого питания. В современном мире людям редко приходится всерьез раздумывать над такими решениями, но для диких животных, живущих в условиях конкуренции, а также недостатка пищевых ресурсов и времени, рентабельность добычи очень важна.
Рентабельность стремится к бесконечности, если затрачиваемое на охоту и поедание добычи время стремится к нулю. Но такой вариант, кажется, никто никогда не рассматривал: «нормальным» считается время, затрачиваемое белкой на разгрызание желудя, чайкой – на вскрытие раковины моллюска, пчелой – на выбор цветка. В этих случаях время обработки исчисляется в секундах или минутах. А для звездоноса оно исчисляется в миллисекундах, и это дает кроту огромное преимущество. Если он потратит на охоту и поедание всего секунду, мелкая добыча «не окупится». Но звездонос тратит гораздо меньше времени, и в результате даже самая мелкая добыча оказывается для него рентабельной.
2.9.
Разумеется, чтобы питаться мелкой добычей, нужно уметь находить ее в больших количествах. Иными словами, нужен очень хороший сенсор… Например, звезда, покрытая 25 тысячами органов Эймера. Тот факт, что звездонос предпочитает очень мелкую пищу, объясняет и странную форму его передних зубов (см. фото), которые образуют пинцет, позволяющий мгновенно схватить крошечную добычу. Сзади на челюстях звездоноса имеются крупные зубы, которыми при случае можно пережевать и дождевого червя. Но при недостатке червей звезда и зубы-пинцеты дают преимущество в поиске более мелких беспозвоночных, которыми так богаты болота и обнаружить которых не способен никто из лишенных звезды конкурентов.
После публикации исследования13 меня атаковали репортеры и блогеры: все хотели написать об удивительном скоростном кроте-звездоносе. Один из звонивших, по-видимому, обладал особыми полномочиями, поскольку через пару недель я обнаружил в почтовом ящике бандероль, в которой оказался сертификат «Книги мировых рекордов Гиннесса». Это было официальное признание звездоноса самым быстрым собирателем пищи среди млекопитающих.
Очень странные дела
На этом наши отношения со звездоносом не закончились. Его следующий трюк я раскрыл совсем случайно. Как вы помните, эти кроты обитают во влажной почве. Это полуводные животные, которые часто плавают и охотятся в воде. Пищу они добывают на мелководье вдоль берегов прудов и ручьев или в затопленных норах. Учитывая феноменальную эффективность их охоты на суше, я задумался, насколько хорошо они находят добычу под водой.
Я без труда заснял их охоту в аквариуме, но так и не замерил ее скорость. Меня отвлекло кое-что совсем другое. Ныряя в поисках червей и насекомых, звездоносы использовали звезду так же, как и на суше, только в процессе постоянно выпускали пузырьки воздуха. Этому пусканию пузырей мы удивлялись еще много лет назад в зоопарке. Это было очаровательно, и тогда мы гадали, не попадает ли кроту в нос вода, когда он плывет, и не выбрасывает ли он ее с пузырьками воздуха. Конечно, это был антропоморфизм: вряд ли полуводное животное могло быть так плохо приспособлено к подводному дыханию. Теперь же я смотрел в замедленном режиме, как звездонос ищет под водой еду, и картина понемногу начала проясняться.
Крот не просто выдыхал пузырьки. Он выдыхал и вдыхал большинство из них обратно – примерно 10–12 пузырьков в секунду, – и в этих действиях была явная закономерность: звездонос выдыхал и вдыхал пузырьки воздуха, когда касался разных объектов. Не такая уж явная, если мыслить как человек, поскольку человек нюхает не так, как мыши, крысы, собаки и кроты. Чтобы почувствовать запах, мы вдыхаем несколько раз подряд, не выдыхая. Однако большинство млекопитающих выдыхает сразу после вдоха, и так много раз. Приложите руку к груди собаки (если у вас под рукой есть собака) – и вы почувствуете, как грудь вибрирует, когда собака что-то обнюхивает. Это диафрагма быстро втягивает воздух в легкие и выталкивает его обратно во время «припадка обнюхивания». Но даже если собаки у вас нет и вы не можете почувствовать движения ее диафрагмы, вы всегда поймете, когда собака что-то нюхает: она останавливается и фокусирует все свое «нюхательное внимание» на определенном объекте, например на каком-нибудь столбе.
Под водой звездонос останавливается, подобно собаке, чтобы изучить тот или иной объект. При этом из его ноздрей выходят пузырьки воздуха, которые окутывают этот объект, но не отплывают от носа, и крот снова их вдыхает. Чем дольше я изучал видео, тем больше убеждался, что во время плавания звездоносы принюхиваются и чувствуют запахи. Так что я провел эксперимент, такой же, какой провел бы для испытания охотничьей собаки: оставил запаховый след, ведущий к вознаграждению – еде14. И действительно, кроты уверенно обнаруживали этот след под водой и, принюхиваясь по пути, доплывали до добычи.
Считалось, что у млекопитающих обоняние под водой отсутствует, поскольку для него нужен воздух. Гениальное решение звездоноса заключается в том, что он использует воздух из своих легких. Подводное обоняние звездоноса, как и развитие его звезды задом наперед, оказалось поистине революционной находкой (по крайней мере, на мой взгляд).
Я понимал, что это открытие произведет фурор среди исследователей обоняния, но подозревал, что большая часть пазла все еще не собрана. Необычное животное необычным образом обнюхивает объекты под водой. Участвует ли в этом звезда? Я так не думал. Это казалось трюком, который может использовать любое мелкое млекопитающее, добывающее пищу под водой. И у меня на примете был идеальный подопытный – водяная бурозубка. Я уже упоминал, что это удивительное млекопитающее обитает в болотах Пенсильвании и часто пользуется теми же ходами, что и звездоносы. Для большинства лабораторий заполучить водяную бурозубку было бы непосильной задачей, но в наши ловушки они попадали каждый год, так что провести эксперимент с подводным обнюхиванием не составило труда. Что же мы выяснили? Оказывается, водяные бурозубки тоже так умеют! И так же хорошо выслеживают добычу под водой по запаху14. Вот так причудлив путь к открытию: изучая звездоноса, мы обнаружили тип обоняния, которым обладают лишенные звезд полуводные животные. Более того, на эти результаты обратили внимание российские ученые: они проверили их на русской выхухоли15 и показали, что это распространенная способность среди мелких полуводных млекопитающих. Подводное обоняние – отличный пример общей закономерности, выведенной из частного случая. Самого странного из частных случаев.
Визуально считываемая карта на неокортексе, тактильная ямка, развитие звезды задом наперед, сверхбыстрое добывание пищи, подводное обнюхивание – трудно даже уследить за всеми невероятными открытиями, связанными со звездоносом. И это только вершина айсберга, ведь исследования продолжаются. Говоря о пути к открытию, невозможно не пуститься в философствования. Человеку свойственно увлекаться тайной, но тайна – это только дверь. Никогда не знаешь, что за ней найдешь.
2.10.
3
Афера
Название этой главы я позаимствовал у фильма 1973 года с Полом Ньюманом и Робертом Редфордом в главных ролях[9]. Посмотрите его, если еще не видели: все-таки фильм получил семь премий «Оскар», победив в номинации «Лучший фильм». Это история двух жуликов, Джонни и Генри, провернувших сложную аферу и выманивших у мафиози полмиллиона долларов. Мафия не расстается с деньгами просто так, но схема работает, а фильм увлекает, потому что афера спланирована невероятно искусно. Обман, но блистательный.
Змеи мошенничеством не промышляют – если только это не щупальценосная змея. Она проворачивает аферу в вечной схватке между хищником и жертвой, и это представление достойно отдельного «Оскара». Атаки щупальценосной змеи спланированы так же искусно, как афера Генри и Джонни, только в этом случае планированием на протяжении миллионов лет занималась эволюция. Для начала я представлю вам двух главных героев этой драмы: щупальценосную змею и ее единственную жертву – рыбу. А еще расскажу, каким странным путем я пришел к изучению этой змеи (прежде всего потому, что это прекрасный пример неожиданных поворотов, подводящих к новым вопросам).
Щупальценосные змеи, или герпетоны, обитают в пресных водоемах Таиланда, Камбоджи и Вьетнама, в течение жизни практически не покидая воду (даже детенышей змея рожает под водой). Герпетона часто называют змеей-рыболовом, поскольку этот вид змей питается только рыбой. При приближении добычи щупальценосная змея причудливо изгибается в виде буквы J, замирает в этой позе и терпеливо ждет, пока рыба не окажется в нужном месте. Молниеносная атака – и… происходит что-то странное. Все выглядит так, будто рыба совершает суицид.
3.1. Охотящаяся щупальценосная змея терпеливо замерла в форме буквы J
Я не задавался целью объяснить самоубийство рыбы. Честно говоря, я даже не знал о существовании герпетонов, да и по большому счету никто толком не вникал в их методы охоты. К щупальценосной змее меня привела черепаха. Это была огромная грифовая черепаха, способная отхватить человеку пальцы или даже кисть, если человек достаточно самонадеян, чтобы подойти к ней близко. Но я ничем не рисковал, поскольку встретился с ней не в диких условиях. Да, эта история не приключенческая, а ностальгическая: я приехал в Смитсоновский зоопарк навестить старых друзей. Бо́льшую часть времени я провел в павильоне мелких млекопитающих, где когда-то работал со звездоносами. Поболтав со смотрителями и узнав последние новости, я отправился в павильон рептилий.
При каждом посещении зоопарка я обязательно заглядываю к грифовой черепахе. Я никогда не встречался с этим древним великаном по работе, но так долго любовался им через стекло, что считал нас большими друзьями. Еще в детстве, в Мэриленде, я заинтересовался каймановыми черепахами. Мне было девять, когда я поймал и притащил домой свою первую черепаху – крупную взрослую особь с панцирем длиной сантиметров тридцать. По дороге меня сопровождала небольшая свита из соседских ребят. Каймановая черепаха – не лучший домашний питомец, и родители не разрешили держать ее дома. Я попытался устроить для нее вольер на заднем дворе, но внезапный ливень загнал нас под крышу, а когда мы наконец вышли, черепахи и след простыл. Я сделал выводы и с тех пор приносил домой только детенышей размером не больше четырех сантиметров. Я выращивал их и некоторых даже показывал в школе. (Выращенная в домашних условиях каймановая черепаха не укусит, если, конечно, случайно не примет вас за еду.)
Вскоре мы с друзьями увидели в справочнике грифовую черепаху, бок о бок с каймановой. Блеск каймановой тут же померк. Грифовая черепаха – настоящий монстр; взрослая особь может весить больше сорока пяти килограммов, а ее гигантский панцирь покрыт грядой жутковатых шиповидных выростов. Картину довершают заостренные наподобие клюва челюсти и мясистые складки вокруг глаз. Эти драконы в черепашьем обличье способны привести в восторг любого одержимого черепашками ребенка. Но главный их козырь – хитроумная тактика охоты. Голодная черепаха маскируется и замирает, широко раскрыв пасть, в которой извивается фальшивый червь, сформированный из разноцветной сосудистой ткани. Никакой другой вид черепах так не умеет! Я мечтал поймать хотя бы одну (не слишком большую), как другие дети мечтают стать пожарными или космонавтами. Но грифовые черепахи живут на юго-востоке США – далековато от мест моих детских экспедиций.
С годами мое восхищение не ослабло, и работать в зоопарке рядом с предметом обожания было истинным удовольствием. Но благодаря удивительному повороту судьбы много лет спустя эта черепаха привела меня к еще более искусным рыболовам. Они скрывались прямо за углом, в новом аквариуме с табличкой «щупальценосные змеи». Я никогда раньше не слышал об этих экзотических существах и был сильно разочарован, увидев за стеклом только какие-то растения и палки. Но потом оптическая иллюзия рассеялась и палки превратились в змей, каждая с парой коротких чешуйчатых щупалец на морде.
Этакая змеиная версия звездоноса. Могли ли эти щупальца выполнять роль приманки, как язык-червь грифовой черепахи? Или это рецепторы, облегчающие поиск добычи? И если это рецепторы, что именно они воспринимают? Наверняка кто-то уже задавался этими вопросами и определил функцию отростков. Вернувшись в Университет Вандербильта, я прочел все доступные публикации на эту тему. Оказалось, гипотез о назначении щупалец было множество, а вот доказательных данных маловато. Воспользовавшись связями моих друзей из зоопарка с заводчиками по всему миру, я при первой возможности приобрел змей для своей лаборатории.
Дежавю
Новая загадка подходила мне идеально. Если бы существовала картотека биологов по специализациям, я бы к тому времени значился там как «исследователь странных отростков». Звездоносы обучили меня лучшей для этой области тактике: никакой предвзятости, максимум внимания к деталям и постепенное отсеивание «подозреваемых».
Самое популярное среди исследователей объяснение заключалось в том, что герпетон использует щупальца в качестве приманки. Мне это казалось маловероятным. Щупальца не похожи на червя или любую другую наживку. Давайте сравним их с кончиком языка грифовой черепахи – подлинным шедевром эволюции. Когда черепаха поджидает добычу, «червь» наполняется кровью и выделяется на фоне замаскированной пасти рептилии. При появлении рыбы черепаха соблазнительно им покачивает – подобно тому, как рыбак подтягивает блесну. Как и любая приманка, фальшивый червь срабатывает не всегда, но в большинстве случаев рыба соблазняется. Она замирает, подплывает ближе, отступает и подплывает снова. Самая большая ошибка для черепахи – атаковать слишком рано: ведь рыбы быстро учатся. В искусственной среде небольшого аквариума первые несколько рыб достаются хищнику, зато потом на приманку уже никто не ведется. Вероятно, это важный фактор отбора и развития терпения у засадных хищников. Если у вас всего один патрон, лучше поберечь его до того момента, когда шансы на успех будут максимальными.
А как насчет щупалец? Я наблюдал множество встреч герпетонов с рыбами разных видов, и рыбы редко реагировали на щупальца. При охоте змея замирает, сливаясь с окружающей средой, причем совершенства маскировке добавляет налет из водорослей на чешуе. Я не замечал, чтобы змея шевелила щупальцами для привлечения внимания рыбы. Более того: в тех редких случаях, когда рыба начинала пощипывать щупальце, змея как раз не атаковала. Кажется нелогичным, однако, если подумать, этому можно найти объяснение. Грифовая черепаха поджидает добычу с широко открытой пастью, так что когда приманка срабатывает, жертва уже в ловушке. А щупальценосной змее нужно еще успеть раскрыть челюсти и броситься на рыбу. Учитывая, что атака начинается из состояния покоя, змея должна набрать определенную скорость – как человеку нужно замахнуться, прежде чем ударить. Ситуация напоминает боксерский клинч: чем ближе рыба к голове хищника, тем в большей она безопасности. Змея редко атакует рыбу, подплывающую к ней вплотную, иллюстрируя все ту же заповедь: не трать силы впустую, не распугивай добычу. Суммировав все эти наблюдения, я отверг гипотезу о щупальцах-приманках без дополнительных экспериментов.
Следующей в списке была гипотеза о щупальцах-рецепторах. В ее пользу говорил тот факт, что у других змей органы чувств располагаются там же, где отростки у щупальценосной змеи (например, термочувствительные ямки у гремучих, или ямкоголовых, змей). Это могло быть совпадением, а могло объясняться, например, тем, что эта область головы у змеи обильно иннервируется и потому лучше подготовлена к развитию сенсорных структур в процессе эволюции. Предстояло разобраться, действительно ли там много нервных окончаний. Если да, можно будет по крайней мере предположить, что щупальца выступают своего рода рецепторами.
К этой работе я привлек своего магистранта Дункана Лейча. Мы начали с изучения анатомии щупалец, и результаты сказали нам о многом. Оказалось, что щупальца буквально испещрены нервными волокнами, но эти волокна вовсе не оканчиваются в наружных чешуйках. Напротив, волокна образуют многочисленные тончайшие нити, которые пересекаются в центре каждого щупальца подобно натянутым вантам, удерживающим мачту корабля.
Картина была прямо противоположна той, что наблюдалась у звездоноса: у того нервные окончания располагались непосредственно под поверхностью кожи. Маловероятно, чтобы «вантовая» организация нервных волокон у змеи повышала точность распознавания объектов при касании, поскольку рецепторы (нервные окончания) отделены от внешней среды плотными чешуйками. Зато такая структура идеальна для обнаружения изменений в сопротивлении воды – даже при малейшем отклонении щупальца. Иными словами, щупальца могли служить датчиками движения воды. Эта гипотеза имела смысл, поскольку любое движение рыбы вызывает колебания воды, а герпетон поистине одержим рыбой.
Мы проверили чувствительность к движению, зарегистрировав активность нервных окончаний у змей под наркозом. В точку! Даже при микроскопическом движении щупалец нейроны возбуждались и генерировали импульсы, называемые потенциалами действия. Чувствительность оказалась настолько высокой, что нам так и не удалось определить нижний порог возбуждения. Что еще важнее, реакция наблюдалась и в ответ на движение близкого объекта в воде1. Складывалось впечатление, будто в процессе эволюции у змей развился особый тип сверхчувствительных вибрисс. (Тюлени, например, используют свои вибриссы более привычного вида именно для улавливания колебаний воды, вызванных рыбой.)
Но нужно было рассмотреть и другие гипотезы, чтобы исключить прочие возможные функции щупалец. В конце концов, было бы ужасно глупо не заметить щупальца-электрорецепторы у змеи после долгого безуспешного поиска таковых у крота. Но нервные окончания герпетона никак не реагировали на электрические поля. Наконец, чтобы точно ничего не упустить, я внимательно изучил каждую чешуйку щупалец на предмет поверхностных чувствительных клеток или пор, которые указывали бы на скрытые сенсоры, но ничего не обнаружил.
Идея о том, что щупальца предназначены для улавливания колебаний воды, набирала очки. Но требовалось больше доказательств. В случае со звездоносом главным доказательством нашей гипотезы стал мозг. А как насчет мозга герпетона? Тут мы подходим к принципиальному различию между млекопитающими и другими классами животных. Внешний шестислойный неокортекс (как часть коры головного мозга) и соответствующие кортикальные карты есть только у млекопитающих. У змей этой структуры попросту нет. Однако есть другие, и в них тоже содержатся сенсорные карты. Одна из важнейших структур мозга змеи – оптический тектум.
Смешанные чувства
Практически вся воспринимаемая картина окружающего мира у человека, как и у змеи, – результат совместной работы разных органов чувств. Так, у человека тесно связаны зрение и слух. Всё вокруг нас – машины, птицы, люди, домашние животные, самолеты, фильмы – производит огромное множество комбинаций визуальных и звуковых стимулов. Эта информация сводится воедино в оптическом тектуме, который у млекопитающих называется верхним двухолмием. Там она представляется в виде сенсорных карт, во многом похожих на карты неокортекса, о которых говорилось выше. Отличие состоит в том, что в неокортексе карты разных органов чувств разделены: например, у человека зрительная кора (оптическая карта) отделена от соматосенсорной коры (соматосенсорной карты). Но в оптическом тектуме рептилий и в верхнем двухолмии млекопитающих карты накладываются друг на друга, как слои в торте. Роль глазури на этом торте выполняет оптическая карта, а прочие карты содержатся в слоях ниже.
Такая организация позволяет нейронам оптического тектума воспринимать комбинации сигналов разного типа и формировать более точную картину окружающего мира2. Представьте себе, что вы пытаетесь опознать птицу, которая находится далеко от вас. Будет здорово, если вам удастся увидеть ее в полете или услышать ее пение. Но еще лучше, если вы сможете
Но вернемся к нашим герпетонам. Мы изучили их оптический тектум и предсказуемо увидели оптическую карту. Кроме того, мы увидели карту осязания, а на ней – обширную зону, связанную со щупальцами1. Карты пространственно совпадали и были ориентированы в одном направлении. Иными словами, мы обнаружили новую вариацию стандартного принципа; в тектуме герпетона соединялись зрительная информация от глаз и информация о колебании воды от щупалец.
Это позволило предположить, что щупальца помогают змее охотиться. Для подтверждения или опровержения гипотезы нужно было снять змеиную охоту в таких условиях, при которых герпетон не сможет использовать зрение. Мы выключили свет, а для освещения аквариума использовали инфракрасное излучение, которое не видит змея, но улавливает камера. Запись показала, что герпетон действительно способен поймать рыбу вслепую.
Здесь я должен сделать оговорку, которая может показаться странной после всех этих рассуждений о щупальцах. Основное чувство у змей – зрение. У этих животных очень чувствительные глаза и крупный зрительный нерв, и при невозможности использовать зрение их атаки гораздо менее точны. Так к чему же эта суета вокруг щупалец?
3.2. Комбинация сенсорных сигналов в оптическом тектуме щупальценосной змеи. От щупалец передается сигнал о колебании воды, а от глаз – зрительная информация. Оба сигнала объединяются в оптическом тектуме, что позволяет змее точно определить местоположение рыбы
Давайте снова сравнивать с собой. У человека зрение тоже основное чувство, и когда мы переходим дорогу, то всегда смотрим по сторонам. Это важнейший навык, который родители прививают детям с ранних лет. Но это вовсе не значит, что нам не нужен слух. Мне даже не придется доставать примеры из глубины веков и говорить о пещерных людях и затаившихся саблезубых кошках – сегодня есть нечто другое, что может подкрасться к вам бесшумно и убить среди бела дня: электромобиль. Неожиданная и серьезная угроза для пешеходов и велосипедистов, для которых жизненно важно слышать звук приближающегося автомобиля. И эта угроза настолько серьезна, что Национальное управление безопасности дорожного движения США выпустило требование об имитации шума для автомобилей с электродвигателем. Так что даже в большом современном городе возможность получать сигналы обоих типов – вопрос жизни и смерти. То же относится и к герпетонам – правда, в их случае жизнь и смерть все-таки рыбьи, а не змеиные. Герпетон воспринимает колебания воды вместе с визуальной информацией, что позволяет ему атаковать с предельной точностью. Но, как вы убедитесь далее, атаки щупальценосной змеи примечательны не только точностью.
Рыба-самоубийца
Учитывая, что в арсенале герпетона имеется сразу два типа рецепторов, неудивительно, что снайпер он непревзойденный. Его атаки даже слишком хороши, чтобы быть правдой: свою скользкую и изворотливую жертву змея атакует с головы, иногда почти целиком заглатывая ее в процессе охоты. Сверхъестественная способность.
Но я был не первым, кто заметил эту способность. Герпетолог Джон Мёрфи, специалист по щупальценосным змеям и их ближайшим родственникам, написал прекрасную подробную книгу о семействе
Время обработки – это время, затрачиваемое хищником на преследование, поимку и поедание добычи, и мы уже знаем, кто здесь мировой рекордсмен (среди млекопитающих) с показателем 120 миллисекунд. Но кадр видео с частотой 1/30 секунды – это 33 миллисекунды. За такое время звук преодолевает примерно девять метров. Как же змеям удается такой трюк? Атака змеи, как и многие другие действия животных, слишком стремительна для человеческого глаза и для обычной видеокамеры. Пришло время съемки на высокоскоростную камеру.
3.3. Кадры съемки высокоскоростной камерой. Рыба поворачивается в сторону атакующей змеи, устремляясь прямо в ее приближающуюся пасть
Видео в режиме замедленного воспроизведения объяснило сверхкороткое время обработки: рыба как будто сама помогала себя заглатывать, поворачиваясь в сторону змеи, а иногда даже заплывая прямиком в открытую пасть. Это пример открытия, несущего больше вопросов, чем ответов. Почему рыба так себя ведет? На лекциях я рассказывал студентам об устройстве нервной системы рыб, и у меня были некоторые догадки. Похоже, змеи «взламывали» рыбий мозг.
Беги без оглядки
Рыбы – наггетсы животного царства. Сотни миллионов лет они занимают верхние строчки в рейтинге самых популярных блюд. Медленные и рассеянные особи канули в Лету; вероятно, им не удалось сохраниться даже в виде окаменелостей, хотя это было бы слабым утешением. А у быстрых и осторожных больше шансов спастись от хищников и оставить потомство. Этот простой принцип, помноженный на поколения, привел к развитию одной из самых быстрых и эффективных реакций бегства среди животных. Эту реакцию называют «C-старт», потому что сначала рыба изгибается в форме буквы C, а затем резко стартует с места, быстро двигая хвостом. Со стороны кажется, будто рыба телепортируется.
Совершенные и эффективные модели поведения всегда обеспечиваются совершенными и эффективными нейронными цепями. C-старт не исключение. Эту реакцию изучали десятилетиями4, но ее базовые элементы удивительно просты – во всяком случае, в общих чертах, чего достаточно для нас и явно достаточно для змей. По нейронной цепочке можно понять, как активность нейронов вызывает то или иное действие. У рыб все начинается с простого выбора: налево или направо? Решение зависит от того, с какой стороны атакует хищник: логично сбежать в противоположную сторону. Что может пойти не так?
Да, в этом не было бы ничего сложного, если бы решать не приходилось очень быстро. Мелкая рыба должна начать уворачиваться от хищника всего за 6–7 миллисекунд. Для сравнения: на олимпийском спринтерском забеге от выстрела до старта бегуна проходит около 175 миллисекунд. Рыба быстрее в 25 раз. И вот что здесь интересно и довольно неожиданно: когда счет идет на миллисекунды, вы не можете полагаться на зрение. Реакции от глаз вы будете ждать на 25 миллисекунд дольше, чем от органов слуха или осязания5–6. Но что решает лишняя сороковая доля секунды? Всё, если вам нужно увернуться от змеи или если вы неосмотрительно купились на фальшивого червя в пасти грифовой черепахи. Итак, что же делать рыбе?
У рыб есть необычная поговорка: верь своим ушам. Пока зрительный сигнал «вязнет» в сетчатке рыбьего или человеческого глаза, слуховые сигналы обрабатываются с минимальной задержкой; то есть слуховые рецепторы (волосковые клетки) преобразуют звук в нервное возбуждение быстрее и эффективнее. Но для рыб всё еще лучше! Вода плотнее воздуха, так что при атаке хищник не может не вызывать выраженных акустических волн, которые распространяются в воде гораздо быстрее, чем в воздухе (1500 против 340 метров в секунду). Схлопывающиеся челюсти грифовой черепахи вызывают «ударную волну», которая почти мгновенно достигает рыбы. Благодаря этому рыбе иногда удается вовремя среагировать и избежать ловушки.
Возможно, вы удивлены тем, что рыбы так хорошо слышат: у них ведь даже нет видимых ушей. На самом деле уши у рыб спрятаны в голове, но отлично функционируют, поскольку в воде звук проходит непосредственно через рыбу и его воспринимают рецепторы внутреннего уха. А ударная волна, возникающая при атаке хищника, – это самое важное (и зачастую последнее), что слышит рыба. Ударная волна механически стимулирует сенсорные клетки внутреннего уха, в результате чего нейроны возбуждаются и по сотням нервных волокон посылают сигнал тревоги в особую клетку мозга – маутнеровский нейрон, названный так в честь своего первооткрывателя. Это гигантская клетка, а как правило, чем нейрон крупнее, тем быстрее передача сигнала (об этом я подробнее расскажу в пятой главе). Как и ушей, маутнеровских нейронов у рыб два, по одному с каждой стороны7. Единственный нервный импульс от любого из этих нейронов – это сообщение первостепенной важности, реакция на которое – вопрос жизни и смерти.
Длинный «биологический провод» (аксон) маутнеровского нейрона проходит поперек хребта и далее вниз по позвоночнику на противоположную сторону тела, где возбуждение передается нервам, вызывающим мощное сокращение мышц. Это и приводит к изгибу тела в виде буквы C. Переход аксона на другую сторону тела может показаться лишним усложнением, но в этом есть смысл: стартовать рыба должна в противоположную от хищника сторону, а значит, сократиться должны мышцы на противоположной стороне.
Теперь вы понимаете, что происходит во время атаки. Звук достигает ближайшего уха, и ближайший маутнеровский нейрон возбуждается, посылая сигнал на противоположную сторону тела. Рыба изгибается и уплывает (за плавательную часть операции отвечают другие структуры).
Все вроде бы просто и ясно. Однако я не упомянул об одной сложности, которую вы, быть может, заметили. Поскольку звук проходит через все тело рыбы, его должны услышать оба уха. Звук распространяется в воде настолько быстро, что между возбуждением рецепторов с разных сторон проходит совсем мало времени. Что произойдет, если активируется второй маутнеровский нейрон? В этом случае сигнал пойдет по обоим аксонам и нейроны на стороне атаки тоже активируются, то есть мышцы туловища сократятся с обеих сторон. Рыба застынет на месте, и, в довершение всего, съедена она будет с больной спиной. Однако у этой проблемы есть решение, и оно представляет собой хороший пример того, как сеть нейронов определяет поведенческую реакцию. Эта реакция всегда зависит от двух типов сигналов: возбуждающих (активирующих нейроны) и тормозящих (не позволяющих нейронам активироваться).
3.4. Схема нейронных связей, отвечающих за реакцию бегства у рыбы. Изображены уши, пара маутнеровских нейронов и направления передачи информации. В этом примере звук, вызванный атакой хищника, поступает слева, активируя рецепторы левого уха, а затем левый маутнеровский нейрон, который передает сигнал (потенциал действия) на противоположную сторону тела, вызывая сокращение мышц и изгиб тела рыбы в сторону от угрозы. При этом тормозной нейрон посылает на другую сторону стоп-сигнал, чтобы мышцы со стороны угрозы не сокращались. Все это позволяет рыбе быстро уплыть (но не всегда)
Представьте себе двух конкурирующих за лидерство командиров: кто первым отдает приказ, тому и подчиняется войско. Это сравнение приходит на ум, поскольку каждый маутнеровский нейрон активирует еще и тормозные нейроны, которые «отменяют» команды второго маутнеровского нейрона. В результате мышцы туловища со стороны атаки «отключаются» и не могут сократиться и помешать бегству. Тормозные нейроны находятся в спинном мозге на противоположной стороне от мышц, которые они блокируют. На первый взгляд странно, но на самом деле логично: ведь сигнал они получают по пересекающему позвоночник аксону маутнеровского нейрона. Их так и называют – перекрестные тормозные нейроны, поскольку они передают сигнал обратно поперек хребта, отключая мышцы на стороне возбужденного маутнеровского нейрона.
Вот теперь вы точно понимаете, что происходит во время атаки. Хищник нападает; звук достигает ближайшего внутреннего уха и активирует соответствующий маутнеровский нейрон. Нейрон посылает сигнал на противоположную половину тела, вызывая изгиб туловища в сторону от хищника и одновременно активируя перекрестные тормозные нейроны. Эти нейроны передают сигнал обратно, блокируя сокращение мышц (расслабляя их) со стороны атаки и тем самым не допуская срыва всего мероприятия вторым маутнеровским нейроном.
Ну всё, разобрались! Хотя погодите… Вся эта система симметрична: с обеих сторон есть тормозные нейроны, активируемые маутнеровскими нейронами. Если оба маутнеровских нейрона пошлют командный сигнал на другую сторону тела, а оба набора тормозных нейронов направят сигналы обратно по телу, то мышцы рыбы с обеих сторон окажутся расслаблены. В этом случае спина у рыбы, конечно, не заболит, но и уплыть от хищника она не сможет.
Как же быть? Есть только один выход: заставить тормозные нейроны тормозить тормозные нейроны на другой стороне! Именно это, по сути, и происходит. Аксон каждого маутнеровского нейрона активирует мышцы и тормозные нейроны на противоположной стороне рыбы. Последние посылают сигнал обратно поперек хребта, чтобы затормозить не только мышцы, но и тормозные нейроны, которые иначе могли бы быть активированы другим маутнеровским нейроном. Если все это напоминает вам комедийный скетч «Кто на первой базе» Эбботта и Костелло, посмотрите на схему нейронных связей на рисунке.
Система тонко сбалансирована, и побеждает только один маутнеровский нейрон, даже если он опередил партнера на тысячную долю секунды. Таким образом, успех побега зависит не только от сокращения нужных мышц, но и от расслабления «ненужных». Без баланса нет спасения.
Смертельный страх
Теперь, став экспертами по маутнеровской реакции бегства (совсем как щупальценосная змея), вы сможете по достоинству оценить степень змеиного коварства. Насколько известно, герпетон – единственная в мире змея, научившаяся использовать рыбий C-старт в своих интересах. Сначала змея устанавливает ловушку: принимает J-образную позу, при которой между головой и шейным отделом образуется «карман». Змея сливается с пространством и не движется до тех пор, пока в центр «кармана» не заплывает рыба. Рано или поздно рыба одним боком поворачивается к шее хищника, а другим – к голове с челюстями. В этот момент, вместо того чтобы просто напасть, змея выполняет ложный маневр – сокращает мышцы шеи. Этот финт исполняется за пару миллисекунд до настоящей атаки и порождает звуковую волну, которая моментально достигает рыбы, возбуждая
3.5. Щупальценосная змея в свободное время
Впервые увидев все это в замедленном режиме, я был ошеломлен. По шкале подлости щупальценосная змея на голову обошла грифовую черепаху с ее ловушкой. В конце концов, сыграть на желании животного поесть – известный трюк, а вот использовать механизм спасения жертвы для облегчения охоты на нее… Что-то новенькое! Увиденное объясняло и невероятно быстрое время обработки, о котором писал Джон Мёрфи3. Еще бы: когда рыба заплывает в пасть сама, это значительно ускоряет процесс. Конечно, охота бывает и неудачной. Как и у любого хищника, атака герпетона не всегда точна, а иногда, несмотря на змеиный «финт шеей», рыба все же разворачивается и уплывает. Но как бы то ни было, эффективность потрясает.
Тут вспоминается назойливая телереклама одного кухонного ножа. Этот нож сам по себе выглядел весьма впечатляюще, особенно после того, как им сначала разрезали консервную банку, а потом помидор. Однако затем следовала неизбежная фраза: «Но подождите, это еще не всё!»
Предсказывая будущее
Поделиться книгой: