2 Мако: сверхзвуковые истребители в мире акул
Институт океанографии в Вудс-Хоул (WHOI) – крупнейший в США независимый исследовательский институт (со штатом более 1000 человек), занимающийся исключительно океанографией. Это учреждение, основанное в 1930 году в городке Вудс-Хоул, штат Массачусетс, снаряжает в самые разные уголки мира экспедиции, в ходе которых ученые и лаборанты пытаются понять, как устроен океан и как он связан с остальной планетой. Я отправился туда на встречу с Йелле Атемой, который изучает органы чувств акул.
Атема, уроженец Нидерландов, в детстве вырезал из дерева флейты и часами наблюдал за животными в лесу неподалеку от дома. Любовь к музыке и природе сопровождает его с самых ранних лет. Он учился на факультете биологии в Утрехтском университете, который относится к числу старейших университетов в Нидерландах. В 1970 году Атема защитил докторскую диссертацию в Мичиганском университете в Анн-Арборе, а четыре года спустя получил место на кафедре морской биологии Бостонского университета. Там он со временем стал штатным профессором и приобрел славу всемирно известного биолога, а в свободное время на профессиональном уровне играет на флейте и выступает в концертных залах в США, Европе и Азии. Неудивительно, что Атема получил в 2017 году от коллег прозвище Оригинал: участники ежегодной конференции океанологов заметили, что из оригинального состава самой первой конференции, прошедшей за 40 лет до того, присутствует только Атема.
В Институте океанографии Вудс-Хоул Атема написал 175 научных работ. Все они посвящены тому, как водные животные применяют свои органы чувств. Особенное внимание он уделяет акулам, главным образом из-за того, что те постоянно пребывают в поиске добычи, поэтому их органы чувств – бесценный источник информации. Как и большинство других животных, при передвижении акулы полагаются на обоняние, зрение, вкус и слух. Однако, в отличие от остальных животных, у акул есть уникальный сенсорный орган, позволяющий им улавливать следы запаха добычи на расстоянии. Бытует мнение, что акулы способны уловить запах капли крови с расстояния полутора километров, но Атема говорит, что люди, разделяющие это мнение, преувеличивают способности обонятельной системы акул, не говоря уже об основных законах физики. Чтобы акула смогла почувствовать запах от маленькой капельки крови на расстоянии, капелька должна сохранять форму. Каждый, кто хоть раз порезался бритвой, знает, что в воде кровь довольно быстро растворяется. Однако Атема утверждает: «Если в воду попадет много крови и с расстояния полутора километров до акулы дойдет хотя бы капля в относительно разбавленном состоянии, скорее всего, акула определит ее источник». Для достижения такого эффекта органы чувств акулы отслеживают вибрации по всей толще воды в потоке шириной 1600 метров. Сам по себе запах не может указать хищнику на местонахождение того, кто его оставил. Однако при движении в воде животные оставляют за собой запаховый след, как бы помечая воду по маршруту своего следования. Примерно так же люди и другие наземные животные оставляют свой запах в воздухе, когда двигаются. В результате образуются завихрения, которые называются шлейфом. Они представляют собой сложные трехмерные структуры, которые прикрепляются к частичкам воды. По такому же принципу за движущейся моторной лодкой тянется маслянистый топливный след.
Многим морским животным такие завихрения в воде указывают, где находится добыча, потенциальные партнеры для спаривания или их обиталище, если наступает время отдохнуть. Запах улавливается разными ноздрями в разное время, что дает акулам и другим водным животным возможность определить, откуда исходит шлейф и в каком направлении нужно плыть.
Помимо обоняния для поиска жертвы акулы используют осязание. В процессе эволюции у них сформировался специальный осязательный орган, который работает с непревзойденной точностью. По обеим сторонам головы и тела акулы тянется тонкая полоска – боковая линия. Ее можно разглядеть на фотографиях акул сбоку. Боковая линия очень точно улавливает движение, вибрации и перепады давления окружающей воды. Она представляет собой наполненные жидкостью канальцы, выстланные эпителиальными клетками с короткими волосками-ресничками. Эти волоски колеблются при контакте с потоком воды.
Акулы способны улавливать вибрации частотой до 1 герц (один герц соответствует одному циклу в секунду). Человеческое ухо работает на более высоких частотах – в диапазоне от 20 до 20 000 Гц – и больше всего приспособлено для частоты 300 Гц. Боковая линия акул куда более чувствительна и способна воспринимать более низкие частоты. Иными словами, акулы могут улавливать даже самые микроскопические колебания, амплитуда которых не превышает величину атома. В боковой линии движения волосков преобразуются в электрические импульсы. Эти импульсы затем поступают в мозг акулы, который на их основе прокладывает курс.
Чтобы испытать орган боковой линии на точность, один немецкий ученый провел эксперимент. Он запустил в бассейн радиоуправляемый кораблик, проложил курс и отправил по нему дрессированного тюленя. (У тюленей нет боковой линии, но есть вибриссы, которые действуют по схожему принципу.) Проложенный курс включал в себя резкий поворот вправо на 90°. В процессе эксперимента ученый решился на нетривиальный ход – он завязал тюленю глаза, предположив, что тот сможет понять, где нужно поворачивать, полагаясь исключительно на турбулентность потока в проложенном курсе. Предположение оказалось верным [1]. Атема, как и тот изобретательный ученый, уже много лет исследует выдающиеся сенсорные способности водных животных. Сначала он изучал акул, а затем переключился на омаров и других морских обитателей. За последние 15 лет в своих исследованиях акул на базе WHOI и Бостонского университета он пытался ответить на вопрос, каким именно образом акулы применяют боковую линию для обнаружения и поиска добычи. Ему удалось выяснить, что для охоты акулы используют убойное сочетание боковой линии и обоняния. Результатом этого труда стала опубликованная в 2014 году фундаментальная работа, в которой схематично излагалось, как во время охоты функционируют акульи органы чувств – вместе и по отдельности [2].
Атема смог выяснить, почему акулы иногда ошибаются и порой случайно нападают на людей. Перед нападением акуле нужно, чтобы жертва была в поле ее зрения. Под водой у акулы ограничен обзор, а еще он может быть затруднен в зависимости от условий. Например, при ясной погоде вода обычно прозрачная, и площадь обзора у акулы примерно сопоставима с футбольным полем. И наоборот – когда пасмурно, вода пенится и мутнеет, в результате дальность обзора акулы сокращается до метра-полутора. В этом случае акула не всегда видит объект, на который нападает. Вот поэтому акулы иногда принимают серферов за тюленей.
Акулы обладают способностью улавливать даже незначительные изменения электрического поля в воде. Это явление, называемое электрорецепцией, играет у акул важную роль в процессе охоты. За электрорецепцию отвечают органы под названием «ампулы Лоренцини». Они представляют собой цепочку пор темного цвета, разбросанных тут и там на поверхности головы акулы и ведущих к подкожным каналам (ампулам). Благодаря им акулы улавливают электрические импульсы от добычи. Свое название они получили в честь Стефано Лоренцини, итальянского врача и видного ихтиолога XVII века, который, исследуя трупы акул, впервые обнаружил эти поры и заметил, что они похожи на каналы (от лат. ampullae). Лоренцини предположил, что эти ампулы могут быть хеморецепторами, однако ученый по имени Адрианус Калмейн, нидерландский учитель Атемы, в 1960-х годах доказал наличие у этого органа электрических свойств. В то же время Калмейн вместе с Атемой и другими студентами установили, что боковая линия акул улавливает движение в воде. Обычно на теле акулы бывает несколько тысяч электрических пор, и это количество остается неизменным в течение всей жизни акулы [3]. Например, у бронзовой акулы-молота более трех тысяч таких пор. Расположение каналов под кожей отличается в зависимости от вида акулы.
Эти открытия хороши еще и тем, что опровергают наши устаревшие предположения об акулах. К примеру, раньше считалось, что при сокращении мышц вокруг животного образуется маломощное электрическое поле, а уже на него реагирует акула. Затем ученые выяснили, что в морской воде все живые ткани образуют микроскопические электрические поля. Такое свойство, как электрическое сопротивление, показывает, насколько тот или иной предмет сопротивляется электрическому току. Кожа рыб или морских львов обладает довольно значительным электрическим сопротивлением, поэтому образующееся внутри электрическое поле распространяется у них изо рта и из ануса, так как сопротивление в этих точках гораздо ниже. Получается дипольное поле крайне небольших размеров, которых, однако же, достаточно для того, чтобы на него среагировала акула. Мышцы и нервы тоже могут генерировать электрические поля, но они не играют большой роли при обнаружении добычи [4]. Акулы обладают поразительной способностью улавливать даже микроскопическое напряжение до 15 × 10–9 вольт [5]. По способности к восприятию электрических полей акулы, состоящие из плоти и крови, соперничают с самыми совершенными техническими достижениями человечества. От раненых или больных рыб исходит более мощное электрическое поле, но даже такие поля трудно определить с помощью приборов. Предполагается, что эта способность помогает акулам не только в охоте, но и в ориентации на местности за счет улавливания электромагнитных полей Земли.
Чтобы напасть на жертву и нанести смертельный укус, акуле нужно выбрать один-единственный подходящий момент. Ключевую роль в этом играют ампулы Лоренцини. Далеко не все атаки на жертву завершаются удачно для охотника. Сомкнешь челюсти на миллисекунду позднее – упустишь добычу. Акула пускает в ход ампулы в самой последней фазе атаки, ведь действенны они лишь на расстоянии менее метра. В статье Атемы за 2014 год наглядно показано, что практически все акулы охотятся одинаково – как небольшие катраны, так и мако, одни из самых опасных океанических сверххищников.