Один лист или два?
В церкви английского городка Грантчестер, что неподалеку от Кембриджа, пол вокруг алтаря украшен мозаикой. На пол этот равномерно нанесены повторяющиеся цветочные узоры. Один узор — лилия с шестью лепестками, а другой — роза с пятью лепестками, и оба они — символы кембриджского колледжа Тела Христова, покровителя грантчестерской церкви. Вы запросто можете пройти мимо, не обратив на узоры внимания, — подумаешь, всего лишь два цветка, выбранных художником без всякой видимой причины. Но — вот ведь совпадение! — эти два цветка и количество их лепестков отображают основное фундаментальное различие между цветковыми растениями, различие, на котором строится вся классификация растений.
В отличие от многих других способов систематизации мира природы, это различие было обнаружено удивительно поздно. Люди на протяжении нескольких тысяч лет выращивали, потребляли и исследовали растения, а сия существенная разница была обнаружена только в XVII веке натуралистом Джоном Рэем[39]. Он заметил, что ростки цветковых растений чуть-чуть отличаются друг от друга и что значение этого отличия весьма велико. В докладе, адресованном только-только рождающемуся Лондонскому королевскому обществу по развитию знаний о природе, он писал: «Великое множество растений появляются из земли с двумя листьями, которые в большинстве случаев не похожи на листья, появляющиеся впоследствии… эти два листка есть не что иное, как две доли семени». Затем он переходит к описанию более малочисленной группы растений, чьи «семена всходят с такими же листьями, как и все последующие, и чье семя не разделено на доли».
Два разных класса ростков, выявленных Рэем, получили названия «однодольные» (те, которые появляются с одним листом) и «двудольные», которые всходят с парными листьями, образовавшимися из двух семядолей. Те, у кого есть дача с приусадебным участком, наверняка видели, что всходящий лук выпускает один длинный лист, а капуста — два листка, таким образом, лук — однодольное растение, а капуста — двудольное.
В определенном смысле тот факт, что это фундаментальное различие так долго оставалось незамеченным, не кажется таким уж странным. В мире существует около 350 семейств двудольных и чуть более 50 семейств однодольных, и, если вы взглянете на взрослые растения одного и того же класса (каждого из этих классов), вам может показаться, что они совершенно не похожи друг на друга. Класс однодольных включает в себя лилии, тростник, осоку, злаки, ирисы, орхидеи и пальмы. Среди двудольных мы найдем жимолость, подсолнух, лютики, розы, горчицу, мальву, примулу, флоксы, львиный зев, мяту и герань. Разницу между представителями этих двух классов можно заметить, только присев на корточки и вглядевшись в совсем иные части растений, причем желательно через лупу.
Однако эти два класса растений играют совершенно разные роли в жизни человека. Один ботаник заметил, что «опыляемые ветром однодольные дают нам то, благодаря чему мы живы». Хлеб и каши, которые мы едим, а также пиво, которое мы пьем, — все это дают нам однодольные. Но опыляемые ветром злаки, из которых вырабатывают все эти продукты, производят на нас куда меньшее впечатление, чем растения с драматически яркими цветками (см. следующую главу «Цветок — молоток!») — те, которым для размножения нужно приманивать к себе насекомых-опылителей.
Корни, листья, части цветка и даже совокупность крошечных трубочек, составляющих сосудистую систему растения, — все это в конечном счете сводится к самому первому отличительному признаку — одному или двум листкам на стадии всходов. И есть еще одна столь же простая и не менее долго остававшаяся незамеченной черта, различающая эти два класса: у цветков однодольных растений бывает три или шесть лепестков, а у цветков двудольных — четыре или пять. Как видим, шестилепестковая лилия с грантчестерской мозаики — однодольное растение, а роза с ее пятью лепестками — двудольное.
Цветок — молоток!
Все мы в общих чертах представляем себе отношения между цветами и некоторыми видами насекомых и птиц. Функция цветка — приманивать насекомых и мелких птиц, чтобы те опустились на него, и на их лапки и тельце попала пыльца, содержащая мужские половые клетки для оплодотворения прочих цветков. Таким образом насекомые и птицы доставляют эти клетки к женским органам других растений. Задача цветка — привлечь внимание, и решается она обычно благодаря сочетанию ярких лепестков и соблазнительного запаха, источаемого нектаром. Но у разных растений различаются и стратегии.
Результаты исследования, проведенного в 2007 году, продемонстрировали, на какие хитрые уловки пускаются различные растения ради того, чтобы добиться наилучшего опыления. Группа ученых из Корнелльского университета задалась вопросом, почему в состав нектара одного растения семейства пасленовых, а именно табака оттянутого (Nicotiana attenuata), входит никотин — химическое вещество, которое отпугивает как раз тех существ, которых растению нужно привлечь. Главные опылители табака оттянутого — бабочка бражник и птица колибри, и оба этих вида не любят запах и вкус никотина.
Ученые догадались, что, помимо привлечения определенных существ, табак оттянутый должен еще и отпугивать других. Некоторые гусеницы питаются цветками — неплохо, чтобы такие держались подальше, как и отдельные виды пчел, которые подлетают к цветку сбоку и высасывают нектар, не перенося при этом пыльцу на другие цветки.
И наконец, недостающий фрагмент мозаики: цветки должны привлекать внимание, но в меру. Например, у некоторых орхидей вообще нет нектара, они полагаются только на свою замысловатую красоту. Когда ученые добавили в чашечки орхидей нектар, насекомые стали подолгу задерживаться в цветке и в итоге успевали облететь и опылить гораздо меньшее количество растений. Так что чрезмерная привлекательность может уменьшить эффективность опыления. Чем больше времени отдельное насекомое (или птица) посвящает одному цветку, тем меньше других цветков оно посетит, оставив там часть собранной пыльцы.
И как же вышеперечисленные факторы объясняют свойства цветков табака оттянутого? Ученые решили сыграть на пропорциях двух главных составляющих: отталкивающего никотина и привлекательного запаха нектара. Они вывели несколько генномодифицированных разновидностей табака оттянутого: от варианта с цветками без запаха и огромным количеством никотина до растения с очень душистыми цветками без всякого никотина. Затем к растениям допустили опылителей и стали наблюдать, какие насекомые и птицы направятся к каким цветкам и надолго ли задержатся.
Было обнаружено, что для достижения цели оптимальна естественная, существующая в природе комбинация аромата и никотина. Растение использует стратегию кнута и пряника, привлекая опылителей и заставляя естественных врагов держаться подальше. А никотин, помимо отпугивания врагов, еще и ограничивает время пребывания опылителей в чашечке цветка, благодаря чему за день те успевают посетить большее количество растений.
Старейшее живое существо на Земле
Один геолог в 1964 году вел исследования в калифорнийских Белых горах. Он извлекал образцы сердцевины стволов у нескольких очень старых деревьев вида сосна остистая межгорная. Считалось, что этим деревьям несколько тысяч лет, сердцевина стволов у них уже давно отмерла, а наружные слои древесины и кора до сих пор живы. Добытые образцы позволяли установить возраст дерева и климатические условия, сопутствовавшие формированию того или иного слоя древесины. Исходя из этих данных геолог планировал вычислить размеры ледников, покрывавших эту местность в былые времена.
К несчастью, инструмент, с помощью которого он добывал образцы, сломался, и геолог запросил у Федерального лесного управления США разрешение спилить одно дерево, чтобы получить необходимые сведения по годовым кольцам на срезе. Лесное управление ответило согласием и тем самым подписало смертный приговор самому старому живому организму на планете. Выяснилось, что дереву было 4950 лет. Это все равно как если бы врач хотел сделать пункцию, чтобы узнать, в каком состоянии здоровье пациента, но из-за поломки иглы для пункций запросил разрешение на убийство — мол, вскрытие покажет все как нельзя лучше.
У срубленного дерева есть младший сосед, найденный в 1950-е годы и до сих пор живой. Согласно расчетам, в 2012 году дерево должно справить свой 4800-й день рождения[40]. Эти деревья живут так долго из-за медленного обмена веществ. За сто лет слой их древесины становится толще всего на два с половиной сантиметра. Одни и те же иголки остаются на дереве по тридцать — сорок лет, а семена из шишек даже самого древнего дерева до сих пор всхожи.
Остистая межгорная сосна считалась старейшим живым организмом на Земле вплоть до 2008 года. Затем некий ученый-дендролог сообщил, что в горах Швеции найдено несколько елей, одна из которых насчитывает аж 9 550 лет. Вот так в одночасье возраст старейшего живого обитателя планеты увеличился вдвое.
Юность этого дерева пришлась на те времена, когда земледелие находилось еще в зачаточном состоянии, только-только начали возникать первые города и было изобретено колесо, — за тысячи лет до расцвета главных древних цивилизаций Востока и Средиземноморья.
Как и в случае с самым крупным живым организмом, грибом опенком Armillaria из Орегона, занимающим площадь 890 гектаров (см. следующую главу «Полуживотное, полурастение и прекрасно на вкус»), для подтверждения уникальности шведской сосны потребовался анализ ДНК. В отличие от большинства известных нам деревьев у этой породы несколько стволов. Один ствол может прожить до шестисот лет, но как только он отомрет, рядом вырастет новый — с точно такой же ДНК, а следовательно, являющийся частью все того же организма.
Кстати, имя у ученого, сделавшего этого открытие, самое что ни на есть подходящее — Лейф: профессор Лейф Куллман[41].
Полуживотное, полурастение и прекрасно на вкус
Когда вы едите шампиньоны по-гречески или омлет с трюфелями, вам может показаться, что это овощное блюдо. Ничего подобного! Много лет считалось, что грибы — это растения, представители растительного царства, хотя и с некоторыми особенностями. Но современная наука доказала, что дело обстоит иначе.
На сегодняшний день найдено и описано более 56 000 видов грибов[42]: от неприятного кожного заболевания, возникающего между пальцев ног, до роскошных деликатесов. С появлением человечества грибы влияли на нашу историю всевозможными способами. Некоторые до сих пор верят, будто легендарное «проклятие фараона» — это исключительно живучий грибок, который дремал в египетских гробницах, пока их не вскрыли археологи. Спорынья, грибок, поражающий колосья ржи, в Средние века вызывала вспышки массового безумия. А фитофторозная гниль картофеля, спровоцированная еще одним грибком, разрушила в XIX веке жизни тысяч ирландцев, которые умерли от голода или вынуждены были эмигрировать. Филоксера, грибок, паразитирующий на винограде, нанесла в свое время серьезный удар по французскому виноделию.
Впрочем, грибы принесли человечеству и много новых удовольствий. Без них не поднималось бы тесто для хлеба; многие грибы съедобны сами по себе; другие превращают овечье молоко в сыр рокфор, а творог — в камамбер. А еще один грибок, Penicillium notatum, дал миру первый и самый широко используемый антибиотик.
Эти живые организмы развивались в той же самой среде, что и растения с животными, и часто помогали выживать своим соседям. Один гриб, например, соседствует с некоторыми видами трав и следит за здоровьем каждой отдельной травинки. Если одна из травинок страдает от нехватки воды или питательных веществ, гриб выстраивает мостик между этой и ближайшей к ней здоровой травинкой и перекачивает свежую порцию воды и пищи. Другой гриб выстроил своеобразный треугольник отношений с некоторыми видами деревьев и белками. Грибница поселяется в корнях дерева и помогает ему добывать питательные вещества из почвы. Грибными телами[43], образуемыми грибницей, питаются белки и вместе с пометом разносят споры к новым деревьям.
Пытаясь классифицировать те или иные формы жизни, ученые уже давно не полагаются на внешний вид. Изобретение сложной технологии анализа ДНК позволило наконец отыскать различия между грибами и растениями. В клеточных мембранах грибов, в отличие от мембран растительных клеток, не содержится клетчатки, и химические вещества, участвующие в метаболизме грибов, совсем не такие, как у растений.
Результаты анализов ДНК показали, что существуют три царства живых существ: животные, растения и грибы, — которые отделились от общего биологического предка около миллиарда лет назад. Царство грибов, в свою очередь, разделено как минимум на восемь различных подгрупп: от живущих в воде хитридиомицетов до дрожжей и пенициллина, от паразитирующих на растениях пукциниомицетов до съедобных грибов и поганок. Как и в случае с растениями и животными, разнообразие видов грибов поражает: от микроскопических (те же дрожжи) до очень крупных. Самый крупный из найденных съедобный дождевик (эти грибы необычайно вкусны, если порезать их дольками и обжарить на сливочном масле) был в обхвате 2,6 метра и мог выпустить несколько миллиардов миллиардов спор — генетического материала, дающего жизнь другим дождевикам. На этом примере было подсчитано, что спор одного крупного дождевика хватит на то, чтобы заселить этими грибами несколько галактик.
Один из видов грибов, опенок, или армиллярия (Armillaria ostoyae), может разрастись аж до сотен гектаров и весить не одну сотню тонн. В американском штате Орегон найден опенок, которому, судя по всему, полторы тысячи лет, и каждая клетка этого гигантского гриба имеет одну и ту же ДНК. Таким образом, этот гриб — единый организм, который куда крупнее синего кита или секвойи. Он признан самым крупным живым существом на Земле.
Кто же изобрел колесо?
Колесо — сугубо человеческое изобретение. Ни одно другое существо в процессе эволюции так и не обзавелось комплектом колес, чтобы облегчить себе перемещение. Иногда, правда, ученые вспоминают саламандр, которые сами образуют нечто вроде естественной шины, сворачиваясь в круг и скатываясь с горки. Подобным же образом поступают и некоторые гусеницы. Если рассматривать вопрос в этом ракурсе, то изобретателями колеса можно счесть первобытных людей — еще много тысяч лет назад они подкладывали под особенно тяжелые камни бревна и катили камни по ним. Однако подлинным открытием стало появление оси, чтобы объект мог перемещаться на значительные расстояния и при этом не приходилось через каждые два-три шага менять и перекладывать бревна-катки.
Трудно себе представить, чтобы в живой природе мог возникнуть полный аналог колеса, ведь органы человека и животных требуют кровоснабжения. Даже ногти и волосы — самые безжизненные на вид части тела — требуют постоянного питания, и даже самая развитая кровеносная система, будь она частью живого колеса из мяса и костей, при вращении завязалась бы в узел.
Но если мы обратим свой взгляд на более мелкие формы жизни, нежели люди, саламандры или гусеницы, то все-таки найдем существо, изобретшее или, скорее, превратившееся в ходе эволюции в нечто вроде колеса. Некоторые бактерии научились при помощи длинных волокон передвигаться в жидкой среде. Но они не просто совершают волоконцами, как веслами, круговые взмахи. Они крутятся сами, делая обороты вокруг волоконца, свободно крепящегося в углублении на поверхности бактерии. Получается, что волоконце, или жгутик (так этот орган бактерий называется в биологии), заменяет собой ось, а тело бактерии — колесо. У основания жгутика сосредотачиваются молекулы, которые в совокупности действуют как мотор и побуждают жгутик совершать до нескольких сотен оборотов в секунду. В 2008 году ученые из Оксфордского университета установили, что эти «моторы» даже снабжены сцеплением — молекулой, которая соединяется со жгутиком и отделяется от него, чтобы жгутик не крутился в те моменты, когда бактерии не нужно двигаться.
Рак-попрыгун
Действия наподобие почти моментального отдергивания руки от пламени являют собой жизненно необходимый защитный механизм. Те животные, которые не обладают быстротой реакции, позволяющей избежать опасности, неизбежно вымерли бы, предоставив выживать существам вроде нас, у которых такая способность есть и которые передают ее по наследству своим потомкам. Такие действия называются рефлекторными и сильно отличаются от большинства наших повседневных занятий.
Рассмотрим последовательность событий, из которых складывается наша реакция на увиденный стакан лимонада:
1. «Ага, я вижу стакан лимонада»;
2. «Хочу ли я пить?»;
3. «Да, хочу»;
4. «Сейчас мне надо бы отдать команду мышцам руки и пальцам поднести стакан ко рту»;
5. «А теперь не помешало бы открыть рот и выполнить сосательное движение, чтобы лимонад попал в полость рта», и так далее и тому подобное.
Хотя чисто теоретически информация от органов чувств, поступающая в мозг при соприкосновении с огнем, отчасти схожа со зрительной информацией о стакане лимонада, наши реакции при этом существенно различаются. Мы не говорим про себя:
1. «Ага, обжигающе горячее пламя»;
2. «Хочу ли я избежать соприкосновения с ним?»;
3. «Да, хочу»;
4. «Тогда надо бы отдать команду мышцам руки и убрать ладонь подальше от пламени».
Если бы мы каждый раз проходили через все эти стадии, у нас сейчас были бы обугленные культи вместо пальцев.
Мы и другие существа выработали некоторые действия, которые ради экономии времени происходят, минуя процесс принятия решений. Когда речь идет о рефлекторных действиях, путь от внешнего импульса (пламя) до реакции (движение мышц) проходит не через головной мозг, а по гораздо более короткому, «бессознательному» маршруту — через соответствующие отделы спинного мозга. На деле это вовсе не означает, что мы не осознаем происходящего, просто к тому времени, когда мы отмечаем болезненные ощущения от пламени, рука уже оказывается отдернута.
Нервную деятельность живых организмов часто изучают на примере пресноводных раков. В случае неминуемой угрозы у рака срабатывает очень важный рефлекс, который можно было бы назвать «прыжок на хвосте назад», — рак делает мощный гребок хвостом и, отскочив назад, избегает опасности. Мускулы, позволяющие сделать такой прыжок, срабатывают при получении сигнала от гигантского нервного волокна, расположенного у рака в брюшке. Отдельные предостережения от органов чувств об угрозе — будь то всплеск воды или тычок хищника — поступают по разным нервным волокнам к этому огромному волокну (оно называется брюшной нервной цепочкой), а места соприкосновения нервных волокон называются синапсами. Брюшная нервная цепочка, в свою очередь, пересылает информацию мышцам, когда количество импульсов от органов чувств, поступающих одновременно, достигнет критической массы — примерно так внезапный шквал звонков в службу спасения заставляет предположить, что случилось нечто действительно неприятное.
Ученые много лет бились над одним из аспектов этого рефлекса: как все эти сообщения от органов чувств попадают к гигантскому нервному волокну в одно и то же время, если воздействие происходило в самых разных уголках тела рака? Если бы сигналы о раздражении поступали с разными интервалами, брюшная нервная цепочка так никогда и не среагировала бы, поскольку отдельные части тела рака постоянно подвергаются некоему воздействию извне, и только когда все тело испытывает раздражение одновременно, это расценивается как угроза.
Почему это воспринимается как загадка? А потому, что органы чувств у рака очень разной длины. Две его антенны, шевелящиеся в воде, длиннее всего тела, а микроскопические усики, растущие из головы, намного короче. К тому же импульс о раздражении может возникнуть на любом участке антенны, а иногда и на нескольких участках сразу. И если бы все эти сигналы тревоги достигали синапсов в разное время, механизм реакции на раздражитель не был бы запущен. Хотя расстояния, преодолеваемые импульсами, чрезвычайно малы, рефлекс срабатывает за пятидесятую долю секунды, и, если бы одним импульсам пришлось проходить путь вдвое длиннее, чем другим, и тратить на это вдвое больше времени, рак никуда и не отпрыгнул бы.
Так или иначе, ученым все же удалось установить, что импульсы в организме рака синхронизируются и поступают в брюшную нервную цепочку одновременно. Но как это происходит?
Загадка была разгадана в 2008 году. Измерение скорости передачи нервных импульсов показало, что импульсы от кончиков антенн движутся быстрее, чем импульсы, возникшие ближе к месту соединения антенны с телом. То есть если один и тот же всплеск воды одновременно запускает импульсы в разных точках антенны, то сигнал от сенсоров, расположенных ближе к телу рака, плетется медленнее и поджидает, когда его догонят сигналы из более отдаленных участков, с тем чтобы они все смогли достигнуть пункта назначения одновременно.
Из такого объяснения может показаться, будто это сложный процесс, однако на практике синхронизация достигается довольно просто. Скорость движения импульса по нервному волокну связана с диаметром волокна. Нервные волокна в антеннах рака по мере приближения к телу увеличиваются в диаметре, в результате импульсы, подобно застенчивым подросткам, приходящим на вечеринку не по одному, а сразу кучей, прибывают к гигантскому волокну одновременно и приводят в действие рефлекс.
Мой сосед — липкая волосатая тарелка
Еще лет двадцать — тридцать назад выводы о том, какие виды в царстве животных родственны друг другу, делались на основе сравнения форм, размеров и других внешних характеристик особей, их костей и внутренних органов, то есть их морфологии. Но революция в области генетики, обогатившая нас знанием о том, что все в живом организме обусловлено генами в его ДНК, привела к удивительным открытиям, касающимся взаимоотношений между разными существами. Под «взаимоотношениями» мы в данном контексте подразумеваем следующее: находятся ли животные на одной и той же ветви или располагаются на соседних ветвях древа жизни — схемы в виде ствола с крупными ветвями и более мелкими веточками, составленной на основе наших познаний в области биологии и палеонтологии.
Чарльз Дарвин писал: «Зеленые ветви с распускающимися почками представляют существующие виды, а ветви предшествующих лет соответствуют длинному ряду вымерших видов. В каждый период роста все растущие ветви образуют побеги по всем направлениям, пытаясь обогнать и заглушить соседние побеги и ветви точно так же, как виды и группы видов во все времена одолевали другие виды в продолжительном жизненном столкновении»[44].
Побеги на древе жизни отображают те виды, которые существуют на Земле в наши дни. Два соседних побега являют собой два более близких друг к другу (и, как правило, более похожих) вида, чем два побега, расположенных по разные стороны ствола.
В последние двадцать или чуть больше лет при попытках разместить тот или иной вид в нужной части древа ученые все чаще прибегают к генетическому анализу. Грубо говоря, чем более схожи у двух видов наборы генов, тем ближе эти виды друг к другу на древе жизни. В ряде случаев результаты анализа целиком переворачивают привычные представления о взаимоотношениях видов. Возьмем, к примеру, птиц: поганки, которых традиционно считали родственниками гагар, по последним данным оказались ближе к фламинго; козодой, неприметная бурая птичка, как выяснилось, приходится родней разноцветным колибри, а попугаи и певчие птицы не так далеки друг от друга, как принято было полагать ранее.
Некоторые исследователи, прибегнув к этой технологии, попытались установить, кем приходится человек по отношению к другим животным. Количество общих у человека и шимпанзе генов оценивается по-разному, на заслуживающих наибольшего доверия сайтах, посвященных генетике, указывается цифра 99,4 %. Близость человека к человекообразным обезьянам вряд ли покажется кому-то странной. Их родство было очевидно уже давно, еще в те времена, когда ученые исходили из сходных морфологических признаков. Однако недавнее открытие, сделанное при помощи генетического анализа, явило миру нашего гораздо более неожиданного близкого родича — и вот его-то уж точно ни за что бы не выявили путем простого сравнения внешности, телосложения, анатомии или физиологии.
Трихоплакс (научное название — Trichoplax adhaerens) — вот он, тот представитель животного царства, чей геном, то есть вся совокупность наследственного материала, заключенного в полном наборе хромосом, выглядит, если верить Дэниэлу Роксару, биологу-эволюционисту из Калифорнийского университета в Беркли, «на удивление как наш». Удивление Роксара можно понять, ведь более непохожее на человека существо, чем примитивное морское многоклеточное трихоплакс, даже трудно себе представить. С греческого и латыни его название переводится как «липкая волосатая тарелка» (trichoplax (греч.) — «волосатая тарелка»; adhaerens (лат.) — «липкий, липучий»), и если вы окажетесь рядом с ним в зоопарке или океанариуме, то вы не только не признаете в нем родственника, но и, скорее всего, просто не разглядите.
Во-первых, в длину трихоплакс достигает только лишь миллиметра. Его тело состоит из клеток всего четырех типов и не обладает ни одним из органов или систем, которые формируются в человеческом эмбрионе благодаря нашим генам, — ни желудком, ни мускулами, ни нервами, ни половыми железами. У него нет даже головы. Он ползает, как амеба, по камням, раковинам моллюсков или какому-либо иному субстрату и добывает пищу, выпуская поверхностными клетками пищеварительные ферменты, которые расщепляют водоросли, попадающиеся трихоплаксу на пути.
Так чем же он так похож на человека?
Роксар и его коллеги выяснили, что ДНК «липкой волосатой тарелки» состоит из 11 514 генов, многие из которых являются аналогами генов гораздо более сложно организованных существ типа человека, — генов, необходимых для формирования таких частей тела, каких у трихоплакса… попросту нет! Например, трихоплакс располагает наследственным аппаратом для производства белков, которые в организме млекопитающих отвечают за управление отдельными функциями тех или иных клеток, — однако подобными клетками трихоплакс также не обладает. Получается, что генетическая информация, необходимая для формирования гораздо более сложных организмов, почему-то оказалась воплощена еще в таких древних и примитивных созданиях, как трихоплакс.
Тот же генетический анализ позволил прояснить еще один вопрос. Часть биологов полагала, что трихоплакс является представителем старейшей ветви своего «семейного древа», но, как оказалось, он все-таки моложе, чем другой кандидат на эту почетную должность — гребневик (ктенофора). Представители этого типа морских многоклеточных выглядят куда интереснее, чем «липкие волосатые тарелки», в их число входят, например, крохотная черноморская плевробрахия и поразительный венерин пояс — переливающееся всеми цветами радуги прозрачное существо, достигающее порой в длину полутора метров.
Пока фитогеномика (так назвали эту технику) только начала развиваться, так что вполне можно ожидать, что в ближайшем будущем древо жизни еще не раз подвергнется «обрезке» и «пересадке» ветвей.
Животный магнетизм
Уже давно экспериментальным путем установлено, что птицы для навигации используют магнитное поле Земли. В Северном полушарии они летом летят на север, вплоть до Арктики, чтобы вывести потомство, а зимой перебираются на юг, туда, где потеплее. Но долгое время ученые не знали, как именно работает эта способность. В черепах птиц были обнаружены скопления магнитных частиц, однако при отсутствии видимой связи между наличием частиц и органами чувств было трудно разобраться, являются ли эти скопления частью навигационной системы.
Группа ученых из Оксфордского университета, а также из США недавно выдвинула теорию, демонстрирующую, на какие хитроумные уловки пускается природа, чтобы облегчить некоторым видам выживание. Ученые предложили систему, которая никак не связана с магнитными частицами в головах птиц и основывается на существовании недолговечных молекул, чья продолжительность жизни зависит от окружающего магнитного поля.
Они предположили, что в световых рецепторах в сетчатке птичьего глаза содержатся молекулы, которые, поглощая свет, подвергаются химической реакции. В ходе реакции возникает поток частиц, живущих всего около миллионной доли секунды. Но точная продолжительность жизни молекул и, следовательно, их количество, сохраняющееся по истечении некоего временного интервала, определяются магнитным полем Земли. Сенсорная система в сетчатке птицы, по мнению ученых, каким-то образом отслеживает эти молекулы и срок их жизни и, исходя из полученных результатов, задает направление полета.
В этой теории есть только две загвоздки. Во-первых, существование такой системы в физиологии зрения птиц пока так и не доказано. И во-вторых, никто никогда не видел молекул, которые вели бы себя подобным образом. В 2008 году вторая проблема разрешилась — ученые заявили, что синтезировали в лабораторных условиях молекулы, подобные тем, что используются в птичьем зрении, и в магнитном поле они ведут себя именно таким образом.
В том же году было объявлено еще об одном странном открытии из области животного магнетизма. На этот раз не потребовалось никакого сложного лабораторного оборудования. Более того, это открытие мог совершить любой — требовалось всего лишь просмотреть картинки на сайте «Google Earth».
Немецкие ученые, доказавшие, что некоторые мелкие грызуны чувствительны к магнитному полю Земли, задались вопросом: не могут ли и более крупные животные обнаруживать эти поля? Они задумались о путях миграции стад крупного рогатого скота и оленей (в лабораторных условиях сымитировать такие процессы было бы затруднительно) и догадались для отслеживания этих путей использовать спутниковые снимки, свободно выложенные в Интернете.
Они изучили изображения более чем десяти тысяч стад по всей Земле и пришли к выводу, что животные обычно двигаются на север или на юг. Более того, это магнитные север и юг, слегка отличающиеся от географических, которые в свою очередь определяются по местонахождению Северного и Южного полюсов. Одна из распространенных проблем, сопутствующих научным опытам (особенно когда знаешь, что ищешь), — это так называемая исследовательская предвзятость. Как бы вы ни пытались сохранять объективность, очень легко впасть в соблазн и интерпретировать данные в свою пользу: например, когда вы пытаетесь определить, в каком направлении движется то или иное стадо, зная при этом, какое направление их движения выгодно для вас. Чтобы исключить этот фактор, ученые попросили студентов университета проанализировать те же снимки. Мнения обеих групп совпали.
Пока не известно, почему рогатый скот и олени предпочитают перемещаться на север либо на юг, но ученые высказали следующее соображение: если это действительно общая тенденция, то, может быть, ее стоит учитывать при строительстве коровников. Довольные коровы дают больше молока, а если корова вынуждена постоянно находиться в стойле головой на запад или восток и это причиняет ей дискомфорт, надои ее могут и упасть.
Птица, которая отлично знает физику
Жизнь на нашей планете по определению вращается вокруг биологии. Механизмы и процессы, поддерживающие жизнь в организмах, все это — предмет изучения биологических наук. Но помимо этого мы все живем в физическом мире. Наша биологическая составляющая призвана распознавать и находить способы взаимодействия с законами физического мира. Ноги слона толще человеческих, потому что их задача — не дать чрезвычайно тяжелой слоновьей туше обрушиться на землю под действием силы тяжести. У мухи-однодневки таких проблем нет. Ей не приходится думать о силе тяжести, для нее важнее стихия воздуха и сила ветра, именно от них зависит передвижение этого насекомого.
Эти факты из мира физики зачастую диктуют внешний вид животного, сформировавшийся в ходе эволюции так, чтобы наилучшим образом использовать возможности, предоставляемые окружающей средой. Те же факты могут влиять и на поведение существа и отражать «понимание» существом физических процессов повседневной жизни.
Болотная птица круглоносый плавунчик обладает очень длинным и тонким клювом и питается крошечными ракообразными. Чтобы добыть пищу, она использует физические свойства своего богатого водой ареала обитания двумя крайне интересными способами.
Нередко можно наблюдать, как эти птицы плавают четкими кругами, ежесекундно погружая клюв в воду. Так они создают под поверхностью водоворот: круговые потоки воды взбаламучивают речное или озерное дно и поднимают пищу ближе к поверхности, после чего птице не составляет труда ее подцепить.
Некоторые другие водоплавающие птицы набирают воду, в которой содержится добыча, и фильтруют ее, пропуская через некое органическое подобие сита, задерживающего пищу. Но плавунчики предпочитают «выклевывать» пищу, выхватывая ее вместе с капелькой воды кончиками длинного клюва, напоминающего пинцет. Некоторое время ученые недоумевали, как птица продвигает добычу по всей длине клюва к горлу, чтобы проглотить ее. Есть птицы, которые запрокидывают голову и используют инерцию, — добыча как бы сама падает в горло. Но пища плавунчика для такого способа слишком мало весит. Похоже даже, что птица нарочно выбирает ракообразных, не превышающих определенного размера, хотя, казалось бы, чем крупнее добыча, тем быстрее можно насытиться.
Так или иначе, капелька воды, в которой содержится ракообразное, попадает с кончика клюва в горло и там оказывается проглоченной. Некоторые длинноклювые птицы при этом всасывают пищу или подталкивают ее языком. Но только не плавунчик. Вместо этого он полагается на поверхностное натяжение — силу, которая возникает на поверхности жидкости и при попадании жидкости на твердую поверхность заставляет ее принимать форму капли.
Поверхностное натяжение между каплей дождя и оконным стеклом выглядит так: если капля не слишком крупная, то, сила, возникающая по ее краям, удерживает ее на стекле. Точно так же капля воды, в которой содержится ракообразное, в клюве плавунчика оказывается «зажата» между верхней и нижней частями клюва (если, конечно, не раскрывать клюв слишком широко). Для продвижения пищи к горлу птица быстро приоткрывает и снова закрывает клюв. Сначала капля растекается — клюв приоткрывается, и ближайший к горлу краешек капли оказывается еще чуть дальше, а краешек, который ближе к кончику клюва, сначала движется следом, но с закрытием клюва возвращается на место. Получается прерывисто-поступательное движение, и в итоге капля вместе с добычей стремительно перемещается по клюву со скоростью до одного метра в секунду.
В тесном взаимодействии между эволюционным развитием плавунчика и физическими процессами, протекающими при соприкосновении воды с разными поверхностями, выработались механизмы, позволяющие усовершенствовать процесс питания. Форма верхней и нижней частей клюва; физическая природа их поверхностей с нужной степенью «мокрости» или смачиваемости, необходимой для скольжения капли; движения клюва, обеспечивающие перемещения капли; чутье птицы, позволяющее ей выбирать достаточно легкую добычу, чтобы она двигалась за счет поверхностного натяжения, — все это складывалось на протяжении тысячелетий, чтобы показать нам, как эволюция путем естественного отбора обеспечивает организмам наибольшую выживаемость в той или иной среде.
Как развивались глаза
Противники дарвиновской теории эволюции часто в качестве аргумента приводят глаз — как слишком сложную систему, которая вряд ли могла возникнуть в результате ряда небольших усовершенствований, передававшихся по наследству в течение миллионов лет. Сложно сказать, почему они остановили свой выбор именно на глазе, ведь каждый аспект человеческой анатомии и физиологии, любой орган или система идеально сконструированы для повседневного выполнения специфических задач на протяжении семидесяти — восьмидесяти лет; они растут, приспосабливаются к окружающим условиям и восстанавливаются в случае повреждения. Почки, печень, головной мозг, пищеварение и кровеносная система — все они одинаково сложно устроены и одинаково труднообъяснимы, особенно если научных знаний у тебя кот наплакал (как часто бывает с противниками эволюционной теории).
Вероятнее всего, на глазе они (простите за каламбур) сфокусировались потому, что человеку, далекому от науки, чуть легче, чем в случае с другими органами, понять, как он работает, и сравнить его с творениями рук человеческих: фотоаппаратами, телескопами, микроскопами и прочими оптическими приборами. Все мы знаем, что за этими приборами стоят замысловатый процесс разработки и производства, аккуратное и точное изготовление деталей, в том числе линз, исследования в области светочувствительных материалов, конструирование сервомеханизмов для фокусировки, и так далее и тому подобное. И как же, спрашивают некоторые, биологические аналоги всех этих процессов и устройств могли возникнуть без вмешательства некой разумной силой, ставившей перед собой определенные цели?
Однако у современных биологов есть масса свидетельств, позволяющих без особого труда разобраться, как происходил каждый этап эволюции глаза, причем происходил он не когда-нибудь, а в тот самый, единственно необходимый момент развития человечества. Ведь человеческий глаз, разумеется, не был создан с нуля при возникновении первобытных людей. Нынешним своим видом он обязан череде более ранних версий светочувствительных органов, которыми обладали разные существа, начиная с эволюции рыбы или еще более древней живности, обитавшей на Земле более 500 миллионов лет назад.
Самая ранняя стадия могла быть случайной мутацией кожных клеток, в результате которой существо обрело способность различать свет и тень. Потомок этого существа оказался в более выигрышном положении, нежели его слепые сородичи: если на светочувствительные клетки падала тень хищника, животное было предупреждено и могло попытаться скрыться, в то время как остальные представители того же вида оказывались сожранными. В следующем, улучшенном поколении количество светочувствительных особей возросло, они снова выжили, а их потомки, в свою очередь, тоже имели больше шансов на выживание. И так далее. Однако новые мутации возникают постоянно, и вот однажды одно из этих светочувствительных животных могло родиться с небольшим углублением на коже, в котором и сосредоточились чувствительные клетки. Это давало существу новые преимущества. Оно не только чувствовало возможную близость хищника, теперь оно еще знало и примерное направление, в котором перемещается враг. Вместо простых световых рецепторов, работающих по принципу «вкл./выкл.», когда на них попадает тень хищника, существо обзавелось новым типом рецепторов, сообщающих, с какой стороны приближается хищник, и дающих существу возможность скрыться в противоположном направлении. Существа со световыми рецепторами и углублением имели преимущество при выживании, соответственно любая мутация, которая увеличивала углубление, усиливала зоркость этого рудиментарного глаза и предоставляла новые преимущества. Реальные примеры такого типа глаз мы можем наблюдать на окаменелостях, а также у некоторых видов ныне живущих организмов, например у плоских червей и моллюсков.
Дальнейшее совершенствование могло выражаться в том, что отверстие над центром углубления стало меньше, создавая эффект камеры-обскуры, а это уже начало пути от простого различения света и тени к восприятию изображения.
Многие люди, услышав подобный рассказ о первых этапах эволюции глаза, а также о дальнейшем его развитии, появлении хрусталика и сетчатки, способны допустить вероятность возникновения такого механизма, но не могут понять, как несколько разных компонентов могут последовательно эволюционировать таким образом, чтобы достичь соотношения, оптимального для совместной работы. «Кому нужен наполовину сформированный глаз?» — недоумевают они. Но как писал биолог и популяризатор науки Колин Тадж (р. 1943):
«Полуглаз лучше, чем полное отсутствие глаза. Сетчатка чрезвычайно полезна даже при отсутствии хрусталика, позволяющего фокусировать зрение. Она и в зачаточном состоянии позволяет различать свет и темноту и фиксирует движение. Даже один-единственный фоторецептор и тот приносит пользу, не говоря уж обо всей сетчатке. Хрусталик изначально мог возникнуть как прозрачный защитный слой и лишь затем обрел способность к фокусировке: для этого ему потребовалась только выпуклость. Таким образом, как отмечал еще сам Дарвин, мы видим тысячи примеров существ с более простыми органами зрения, чем у человека, начать хотя бы с простейших, обладающих всего одной светочувствительной клеткой».
Другой популярный довод не верящих в теорию эволюции — это огромное количество времени, которое потребовалось бы, по их мнению, на столь длинную цепь последовательных мутаций. Но уж чего-чего у эволюции в достаточном количестве, так это времени.
Двое шведских ученых, Дан Нильсон и Сюзанна Пелер, разработали потрясающую компьютерную программу, позволяющую воспроизводить эффект случайных мутаций в слое светочувствительных рецепторов, сгенерированном при помощи компьютера. В каждом новом поколении сохранялись только те экземпляры, у которых было хотя бы минимальное преимущество по части восприятия и анализа поступающих световых лучей. Вызывая у этих потомков случайные мутации и отбирая для продолжения рода только особи, обладающие хоть малейшим преимуществом, ученые смогли смоделировать процессы, происходившие с глазами на протяжении многих поколений, и подсчитать, сколько поколений потребовалось бы, чтобы глаз обрел сферическую форму и у него появились хрусталик и сетчатка.
Результаты получились поразительные. Сделав некоторое количество осторожных допущений, основанных на данных биологии и генетики, ученые пришли к выводу, что эволюция глаза от гладкого участка кожи до вполне функционирующего органа заняла бы около 400 000 поколений. Учитывая, что средняя продолжительности жизни мелких существ, у которых как раз и формировалось зрение, не превышает года, можно предположить, что на развитие полностью функционирующего глаза ушло менее полумиллиона лет. Сложные по строению организмы существуют на Земле вот уже около 500 миллионов лет, так что в каждом биологическом семействе глаза уже могли пройти весь эволюционный путь не по одному разу. И лишнее подтверждение тому — следующий факт: биологи независимо друг от друга уже более сорока раз доказали, что глаза животных претерпевали эволюционные изменения.
В отличие от противников дарвиновской теории, удивляющихся, как это сложные органы и организмы неким загадочным образом развиваются в еще более сложные, ученые-биологи сильно удивились бы, если бы уровень сложности со временем не нарастал. Особенно учитывая количество постоянно возникающих мутаций и то, как давно на Земле появилась жизнь.
Оживут ли кости сии?[45]
Наши с вами познания о динозаврах строятся отчасти на творческой реконструкции древних форм жизни в художественных и документальных фильмах и в меньшей степени (зато это более достоверные сведения!) на музейных экспозициях. Очень часто в музеях наряду с выставленными экспонатами нас ожидают рассказы о жизни и повадках древних ящеров; они дают нам весьма достоверный портрет существ, от которых ныне остались только отдельные кости или целые скелеты. Как же палеонтологам удается узнать подробности из жизни динозавров, имея под рукой только кучку костей?
Одна из загадок динозавров — это их размер. Некоторые виды динозавров, известные под общим названием «зауроподы», были самыми крупными существами из всех, когда-либо населявших нашу планету. Их масса достигала 50 и даже 80 тонн, что в десять раз больше, чем у самых крупных млекопитающих и других динозавров. Питались зауроподы исключительно растениями и при этом царили на Земле 100 миллионов лет — намного дольше, чем любой другой отряд травоядных.
Каким образом эти животные длиной до 40 метров и до 17 метров ростом умудрились обрести столь гигантские размеры, особенно если учесть, что все остальные виды вырастали максимум до одной десятой от этих величин? И главное, как современным ученым ответить на этот вопрос, если все, чем они располагают, — кучка костей или в лучшем случае целый скелет зауропода?
Недавно двое ученых из Германии и Швейцарии представили вниманию научного сообщества цепочку умозаключений, начинающуюся с нескольких фактов о пищевых привычках зауроподов и заканчивающуюся убедительным объяснением динозавровых габаритов.
Исходной точкой послужило следующее: изучив диету зауроподов и проанализировав строение их головы и шеи, ученые заключили, что эти динозавры не пережевывали пищу и не перемалывали ее в так называемой желудочной мельнице, используемой потомками динозавров — птицами: проглоченная птицами пища измельчается при помощи камешков, заменяющих собой жернова. Но ведь огромное количество растительной пищи, необходимое для снабжения динозавра достаточным количеством энергии, требовало длительного переваривания, вот тут-то и срабатывали размеры: ведь чем больше тело, тем больше и кишечник.
Поскольку динозавры не пережевывали пищу, им не нужна была крупная голова — надобности в огромных челюстях и мощных челюстных мышцах просто не возникало. У животных с крупной и тяжелой головой не могло быть длинной и тонкой шеи, но перед мелкоголовыми зауроподами такой проблемы не стояло. Чрезвычайно длинная шея позволяла им доставать пищу с большой высоты, куда не добирались другие животные.
Еще одна подсказка относительно того, как зауроподы управлялись с такими огромными телами, была получена благодаря ряду открытий в области дыхательной системы динозавров. В отличие от животных, у которых вдыхаемый и выдыхаемый воздух содержится в специальных емкостях — легких, — дыхательная система динозавров была устроена иначе и походила на птичью. Это называется «проточная дыхательная система»: она позволяет кислороду, вдыхаемому с воздухом, входить в контакт с различными частями тела и поступать в кровь в разных местах, в том числе и в длинной шее. Более того, воздух мог использоваться сразу по поступлении его в организм, еще до того, как он пройдет весь путь по шее и достигнет легких. Многие кости, включая позвонки размером в полтора метра, при дыхании наполнялись воздухом, соответственно существо с таким типом дыхания неизбежно весило меньше, чем весило бы существо аналогичных габаритов, но дышащее как млекопитающие.
Опираясь на эти факты, можно сделать еще несколько выводов о жизни и повадках зауроподов. Чтобы получить преимущество при размножении, динозаврам нужно было достичь репродуктивного возраста как можно быстрее, а это означает, что примерно за двадцать лет они из десятикилограммовых детенышей превращались в стотонных гигантов, а размеры их при этом увеличивались пятидесятикратно. Однако у остальных существ, растущих столь быстро, обычно велика и скорость обмена веществ — скорость переработки пищи в мышечную и другие ткани. Если бы у взрослых зауроподов был ускоренный обмен веществ, им ежедневно требовалось бы фантастическое количество пищи, а тело, скорее всего, перегревалось бы. Однако этого не происходило, так что, судя по всему, скорость обмена веществ у динозавров была переменной: достигая своего пика во время роста, впоследствии, по достижении динозавром окончательных размеров, она замедлялась.
Последний недостающий элемент головоломки был найден с обнаружением яиц динозавров: такой способ выведения потомства — весьма необычная форма воспроизводства для огромных травоядных. Все самые крупные млекопитающие — живородящие, они вынашивают единственного детеныша в матке до самого его рождения. Это увеличивает вероятность их вымирания в случае резкого падения численности популяции, ведь для восстановления популяции потребовалось бы слишком много времени. Откладывая яйца, зауроподы могли произвести на свет одновременно целый выводок маленьких динозавриков, так что их шансы на вымирание были значительно ниже, чем у других крупных животных.
Пытаясь объяснить, почему динозавры все-таки вымерли, ученые зачастую ищут какие-то внешние факторы. Метеориты, извержения вулканов, изменения размеров суши, колебания температуры воздуха или содержания углекислого газа в атмосфере — все это называют среди возможных причин. Но вообще-то, учитывая количество всех этих опасностей, можно сказать, что динозавры сопротивлялись вымиранию, и еще как сопротивлялись. Вместо вопроса: «Почему динозавры вымерли?» — многие ученые задаются теперь вопросом: «Как им удалось продержаться так долго?» Возможно, ответ должен начинаться все с той же логической посылки: они не пережевывали пищу.
Любопытные Варвары слону жизнь оборвали
Карликовая белозубка, которая весит всего около двух граммов, — наверное, самое легкое млекопитающее, какое только могло появиться на Земле. Четырехтонный слон тяжелее белозубки в два миллиона раз, а голубой кит в двадцать пять раз тяжелее слона.
Изучая разные виды млекопитающих, ученые иногда проводят сравнительный анализ и экстраполируют результаты опытов, проведенных с одним видом, на другие виды, которые крупнее или мельче исходного. В 1962 году одна такая попытка применить результаты, полученные у кошек и людей, к слонам окончилась полным провалом: при сравнении мелких животных с более крупными не только размер имеет значение.
Индийский слон по кличке Туско содержался в зоопарке города Оклахомы. Два местных психиатра заинтересовались феноменом из области слоновьего поведения, получившим название «муст». На период, длящийся от нескольких дней до нескольких недель, слон-самец впадает в неистовство, становясь настолько агрессивным, что приближаться к нему для человека смертельно опасно. Муст сопровождается (а возможно, и вызван) выделениями желез, расположенных в голове слона, которые распухают и давят на глаза, причиняя животному нестерпимую боль. Говорят, что эти выделения «невероятно мерзопакостны» на вкус, но это скорее из области слухов, вряд ли кто-то решился бы попробовать такое.
Никто до конца не разобрался в этом феномене и по сей день, но в 1962 году оклахомские ученые вдруг решили, что им удастся разгадать природу явления при помощи ЛСД, модного тогда психоактивного вещества. Они надеялись, что это вещество приведет к выделению из височных желез слона той самой «мерзопакости», и таким образом можно будет подтвердить сходство муста и психического расстройства, вызываемого ЛСД.
Проблема заключалась в том, что ученые, видимо, обладали довольно шаткими познаниями в области биологии, и, хотя один из соавторов доклада, в котором излагались итоги исследования, вроде как работал в зоопарке, он, кажется, пропустил столь важный этап, как определение дозы ЛСД, которую следовало дать слону.
Если ввести некую субстанцию путем инъекции в кровь животного или человека, то чем больше в теле крови, тем меньше получится концентрация вещества в крови. Так, если для кошки массой 2,6 кг допустима доза в 0,1 миллиграмма, то, определив, во сколько раз слон крупнее кошки, ученые подсчитали, что для слона будет безопасной доза около 300 миллиграммов, что в 3000 раз превышает безопасную дозу для кошки.
Результат оказался катастрофическим. Туско начал трубить и метаться по вольеру, потом закачался, упал и через пять минут умер.
Что же пошло не так? А то, что ученые пренебрегли другими важными факторами, без которых невозможно понять, как тело млекопитающих взаимодействует с наркотическими веществами. У разных животных различные скорости обмена веществ, в состоянии покоя они расходуют разное количество энергии. Чем выше скорость обмена веществ, тем быстрее распадаются в организме химические вещества. Кроме того, размеры мозга относительно всего тела у разных животных существенно различаются. Так что, вводя препарат, воздействующий на мозг, нужно обращать внимание и на это соотношение. На деле же, тщательно рассмотрев, как различные организмы перерабатывают введенные в кровь химические вещества, и изучив эффект, производимый веществом на других животных, можно найти как минимум пять различных способов расчета безопасной для слона дозы ЛСД. Разброс вариантов будет огромен: это и 0,4 миллиграмма (всего в четыре раза больше, чем давали коту), и 3 миллиграмма, и 8, и 80, и самая большая и фатальная доза — 297 миллиграммов.
Даже если не принимать во внимание связанные с этим опытом этические проблемы (сейчас его проведение наверняка контролировалось бы куда строже), печальная история со слоном Туско наглядно иллюстрирует, чем чревата в науке излишняя самоуверенность. В заключительной части доклада об этом опыте ученые написали: «Как выяснилось, слоны крайне чувствительны к действию ЛСД». На самом деле правильнее было бы сказать, что «этот конкретный слон оказался крайне чувствителен к некомпетентности ученых».
«Кар-кар, у меня на лица дар»
Мы все, несмотря на очевидное сходство между отдельными человеческими лицами (одинаковое количество глаз, носов и ртов), способны различить и запомнить несколько тысяч лиц людей, с которыми сталкиваемся на протяжении жизни. В мозгу даже есть небольшой участок, отвечающий за эту способность, и если этот участок поврежден в результате инсульта или черепно-мозговой травмы, то человек оказывается в плачевной ситуации — он не способен узнать в лицо даже тех, кого видел несколько минут назад.
Что удивительно, некоторые животные тоже обладают способностью узнавать и надолго запоминать человеческие лица. В подтверждение этому был произведен опыт на воронах. Как и всем птицам, воронам важно уметь распознавать членов своей стаи, поэтому они хорошо запоминают наружность других птиц. Но с чего бы им запоминать человеческие лица? Ведь я, например, не очень-то различаю ворон, рассевшихся на ветках за моим окном.
Тем не менее когда биолог из Вашингтонского университета Джон Марцлаф занялся американскими воронами, он обнаружил, что птицы узнают его, причем даже после некоторого отсутствия. Ученый решил как следует изучить эту их способность.
Он смастерил два вида масок, изначально задуманных как «опасные» и «нейтральные». Надевая «опасные» маски, изображающие первобытного человека, он и его коллеги ловили, связывали или иными способами удерживали воронов. А преследуя безобидные цели, например прогуливаясь по кампусу, они надевали «нейтральные» маски, изображавшие тогдашнего вице-президента США Дика Чейни (давайте только не будем вступать в дискуссию о том, представлял ли Дик Чейни на протяжении своей правительственной службы бо́льшую опасность, нежели среднестатистический троглодит).
Используя маски, ученые могли быть уверены, что птицы привыкают именно к их лицам, а не к походке или одежде.
В последующие месяцы ученые оставили птиц в покое и лишь время от время заглядывали в кампус, надевая то маски первобытных людей, то Дика Чейни. Вороны их не забыли. При появлении пещерных людей птицы шумели, суетились и нападали, даже если маска была надета вверх тормашками. На Дика Чейни они реагировали гораздо слабее или вовсе не обращали на него внимания.
Результат получился впечатляющий, и Марцлаф решил ужесточить условия эксперимента, дабы удостовериться, что эффект был не случаен. На этот раз он использовал более реалистичные маски, обозначив один их вид как опасный, а другой как нейтральный. Только на этот раз в эксперименте участвовали новые добровольцы, они не знали, какая маска что означает, и были призваны только фиксировать, как на них реагируют птицы.
Снова были получены данные, не допускавшие разночтений. Один доброволец сказал: «Птицы шумели, непрестанно верещали, и было ясно, что их беспокоит не что-то абстрактное. Их беспокою я».
В прошлом исследователи уже отмечали сходное поведение у воронов, чаек и других видов. Один из основоположников этологии Конрад Лоренц, экспериментируя с воронами, надевал костюм черта, чтобы во всех остальных случаях можно было заходить к птицам в своей обычной одежде, не вызывая излишнего шума. Но до доктора Марцлафа никто не пытался привести данные подобных опытов в систему.
Птицы в силу необходимости обладают очень острым зрением и способностью различать и надолго запоминать изображения во всех подробностях. Предположительно их умение запоминать черты лиц, рельефа местности и других птиц со временем переросло в способность различать черты любого существа, которое может представлять угрозу. Зрение птиц в восемь раз острее, чем у человека. И хотя глаза у них меньше человеческих, в соотношении с общей массой головы они даже больше —15 % по сравнению с 2 % у человека. Голубь может различить семечко размером 0,3 миллиметра на расстоянии полуметра, это все равно как если бы мы могли рассмотреть 60-сантиметровый столбик с километрового расстояния.
Так что если вам на голову нагадила птичка, есть шансы, что в следующий раз это повторится. Учитывая отличную память птиц, подобные казусы могут оказаться не такими случайными, как кажется. А если на вас гадят слишком часто, попробуйте ходить в маске Дика Чейни…
Бумажный тигр, затаившийся фармазон
Когда в научной сфере всплывает факт мошенничества, разоблачителям зачастую требуется немало времени, чтобы вывести аферистов на чистую воду, ведь эти самые аферисты, хорошо владея предметом, могут разработать множество способов скрыть свои махинации. А вот способ разоблачения может оказаться обезоруживающе прост. Взять, к примеру, нашумевший в 1970-е годы скандал по поводу открытия, что лоскут черной кожи, приживленный белой мыши, не отторгается. Вскоре выплыло наружу, что это была не пересаженная кожа, а чернильная клякса.
Когда речь идет о научных фальсификациях, результаты так называемого открытия могут вызывать удивление, но обычно это нечто такое, чего ученым хотелось бы услышать и во что, соответственно, они готовы поверить. Так что поначалу эйфория, сопутствующая новому открытию, может заглушать голоса скептиков.
Когда китайский охотник Чжоу Чжэнлун объявил, что ему удалось сфотографировать в природе живого южнокитайского тигра (к тому времени этот вид уже считался вымершим), зоологи возликовали. Местные власти предложили вознаграждение любому, кто предоставит фотографическое подтверждение, что вид все еще существует. «Это необычайно волнующая новость!» — высказался американский специалист по сохранению вымирающих видов, а лесное хозяйство провинции Шэньси тут же стало планировать, как сберечь чудом выживших тигров, чтобы они не вымерли уже окончательно.
В ходе пресс-конференции Чжоу поведал, как он выследил тигра и запечатлел его на снимках, за которые ему заплатили более полутора тысяч фунтов. «Головой клянусь, что фотографии подлинные», — сказал Чжоу, и ту же китайскую клятву повторили специалист из Министерства лесного хозяйства и член Китайской академии наук.
В наши дни подделать фотографии при помощи компьютера очень легко, но снимки Чжоу, по общему мнению, были подлинными и не претерпели никаких вмешательств. Они в самом деле были сделаны в джунглях, и на них действительно был запечатлен тигр, смотрящий сквозь листву. Единственная проблема (и это отметили многие пользователи Интернета, рассматривавшие снимки в Сети) — тигр на фотографиях был бумажный, вырезанный из плаката или журнала и поставленный на подпорке среди листьев. Когда ботаники пригляделись к этим листьям, находившимся на том же расстоянии от объектива, что и тигр, они обнаружили интересную вещь: то ли голова тигра была совсем крошечной, то ли сами листья, обычно достигающие в ширину нескольких миллиметров, разрослись до размеров тарелок. Более того — на нескольких снимках, изображавших тигра в разных позах, один и тот же лист (который, как оказалось, был частью фотографии с тигром) отбрасывал на лоб животного совершенно одинаковую тень.
Закончилась эта история внезапно и нерадужно. В июне 2008 года Чжоу арестовали, семеро министерских чиновников были уволены, и еще шестеро подверглись дисциплинарному взысканию. А в доме Чжоу полиция обнаружила плакат, посвященный наступлению китайского Нового 2002 года, с аналогичным изображением южнокитайского тигра и деревянную модель тигриной лапы, которая использовалась для подделки отпечатков.
Собачья несправедливость!
Многие владельцы собак верят, что их питомцы — почти как люди. (Кошатники же и вовсе уверены, что насчет кошек это чистая правда.) Но придумать и осуществить такие эксперименты, которые помогли бы сравнить восприятие и суждения животных с человеческими, на практике не так-то просто. Ведь собакам, в отличие от большинства студентов-психологов, не объяснишь, какова цель исследования.
Группа исследователей из Вены заинтересовалась, знакомы ли собакам понятия честности и справедливости. Было доказано, что некоторые приматы демонстрируют поведенческие модели, предполагающие наличие у них своеобразной этической системы. Приматы уверены, что одинаковая работа должна и вознаграждаться одинаково, и возмущаются, если их собрат за выполнение сходной задачи получает более значительное вознаграждение. Макак-резус отказывается принимать пищу, если вследствие этого действия другую обезьяну ударит током. Но есть ли представления о честной игре у неприматов, до поры до времени не знал никто.
Исследователи собрали сорока трех псов разных пород и научили их по команде подавать человеку лапу. Все собаки быстро освоили этот трюк и почти всегда успешно выполняли его по первому требованию, независимо от того, получали они за это какую-то награду или нет. Затем исследователи разбили собак на пары и провели серию тестов: обеих собак просили выполнить трюк, но награждали только одну, причем всякий раз одну и ту же. Довольно скоро стало ясно, что пес, не получающий вознаграждения, недоволен. Его требовалось подолгу уговаривать, прежде чем он протягивал лапу, пес часто отводил взгляд и чесался. «Создается ощущение, что они не слишком рады» — так прокомментировал ученый, проводивший эксперимент, поведение собак, лишенных награды. Когда дело дошло до обработки результатов, выяснилось, что, в то время как награждаемые собаки выполняли трюк каждый раз, лишенные награды особи протягивали лапу только в тринадцати случаях из тридцати. Очевидно, псу не слишком нравилось, когда его товарищ с аппетитом набрасывается на угощение, а самого его оставляют в сторонке. Иными словами, поступают крайне нечестно.
Но действительно ли это означает, что собаки чувствуют несправедливость? Чтобы убедиться в правильности такой интерпретации полученных данных, нужен еще один эксперимент. А вдруг не получавшая вознаграждения собака отказывалась выполнять трюк просто от скуки — все равно ведь лакомства не дадут? В таком случае ее поведение не имеет ничего общего с уверенностью, будто с ней обходятся нечестно. Но по сравнению с собакой, которая выполняла трюк в одиночку и не получала награды, собака, работавшая в паре, халтурила чаще.
Давно известно, что собаки и волки в стае действуют сообща и успех их совместных действий зависит от равномерного распределения нагрузки. В условиях дикой природы несправедливость может поставить под угрозу выживание целой стаи, поэтому забота не о личном благополучии, а о том, чтобы все было честно, заложена самой природой и обеспечивает максимальную эффективность действий стаи.
Однако если собаки и в самом деле чувствуют, когда их игнорируют, уделяя все внимание другим, это может объяснять наблюдаемое многими собачниками явление: когда в семье рождается ребенок, собака часто выглядит обиженной. Сейчас мы знаем только одно: нам кажется, будто животные чувствуют несправедливое отношение, потому что они, возможно, действительно его чувствуют.
Умножение видов
Над бывшим американским министром обороны Дональдом Рамсфельдом часто подшучивали (а почему бы, собственно, и нет?) из-за его любимого высказывания: «Есть то, о чем мы знаем, что мы это знаем. Есть то, о чем мы знаем, что мы этого не знаем. Но есть также и то, про что мы не знаем, что мы этого не знаем». Однако на деле концепция «мы не знаем, что мы этого не знаем» за долгие годы доказала свою полезность во многих областях науки. В аэронавтике даже укоренился сокращенный термин «unk-unks»[46], обозначающий проблемы, которые нельзя предусмотреть, потому что не известно о возможности их возникновения.
Концепция «мы не знаем, что мы этого не знаем» может пригодиться и при попытках ответить на вопрос: «Сколько всего существует видов живых организмов?» Говоря о живых организмах, мы обычно включаем в это понятие растения, животных и микроорганизмы, например бактерии. Чтобы найти ответ, можно начать с составления списка всех существ, известных специалистам каждой из областей биологии — ботаникам, зоологам, микробиологам и так далее. Всего получается около 1,7 миллионов — довольно внушительное число, особенно если учесть, сколь небольшую часть от общего количества способен вспомнить каждый из нас. Но разумеется, в это число входят только известные человеку виды. А уверены ли мы, что знаем все виды, существующие в природе? Конечно, нет. Каждый день мы слышим очередные истории об ученых, исследующих новые, не изученные ранее районы (от дождевых лесов до океанских глубин) и сталкивающихся с видами, о существовании которых прежде никто не знал. Так как же быть с тем, что «мы не знаем, что мы этого не знаем»? Или хотя бы как перевести данное суждение в категорию «мы знаем, что мы этого не знаем»?
Тридцать лет назад американский энтомолог Терри Эрвин (р. 1940), изучая насекомых Панамы, провел интересное исследование местных жуков. Он выбрал одно-единственное дерево и собрал всех жуков, которых сумел на этом дереве найти. Лишь небольшая часть пойманных жуков была описана прежде. Экстраполировав результаты на других живых существ, Эрвин пришел к выводу, что общее количество видов на Земле может приближаться к тридцати миллионам.
И ведь Эрвин интересовался только существами, которых видно невооруженным глазом. (Более того, он изучал только жуков, а их в мире больше, чем каких-либо других живых существ, — британский ученый Дж. Б. С. Холдейн[47] по этому поводу заметил, что Бог, судя по всему, «чрезвычайно неравнодушен к жукам».) Так что стоит добавить к его приблизительным оценкам не видимые глазу микроорганизмы, которых сейчас известно примерно 40 000 видов. Используя сходную технику экстраполяции от известного к неизвестному, ученые вывели, что на Земле может существовать до 400 миллионов видов микроорганизмов, и это не считая вирусов, которых относят к отдельному классу существ — частично живых, а частично принадлежащих к неживой природе.
Итак, используя эффективные, хотя и не слишком точные, статистические методики, мы увеличили количество видов живых существ на Земле примерно раз в двести.
Писатель Колин Тадж описал этот процесс в своей книге «Многообразие жизни» — мастерски составленном путеводителе по всем известным видам живых существ. Он пошел и дальше, задавшись вопросом: как количество видов, живущих на Земле в данный момент, относится к общему числу когда-либо существовавших видов? — и привел поражающие воображение цифры. Взяв в качестве примера более интересное, чем жуки (если, конечно, вы не Терри Эрвин), существо, а именно слона, он сравнил два ныне живущих вида с тем количеством видов слонов, которое зафиксировано за последние 50 миллионов лет. Анализ окаменелостей показывает, что за этот период на Земле существовало около 150 разных видов слонов. Примерно та же картина и с носорогами: сейчас на планете живет всего пять видов, а за истекшие 50 миллионов лет их насчитывалось аж двести. Исходя из этого, можно заключить, что за последние 50 миллионов лет на нашей планете проживало в сто раз больше видов, чем сейчас. Но зачем ограничиваться 50 миллионами, если жизнь на Земле существует уже три с половиной миллиарда лет? «Было бы удивительно, — пишет Тадж, — если бы общее количество видов, существовавших в прошлом, не превышало бы нынешнее как минимум в 10 000 раз». Следовательно, общее количество видов за всю историю планеты достигает примерно 4 триллионов. Видов! Не особей! Всем этим богатством мы обязаны изменчивости ДНК, длинной цепочки генов, которая определяет формирование каждого живого существа. И в ней может возникать столько вариаций, что за последующие три с половиной миллиарда лет, несомненно, следует ожидать возникновения еще четырех триллионов новых видов.