Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

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.