Путеводитель зоолога по Галактике. Что земные животные могут рассказать об инопланетянах – и о нас самих

Для животных, не дышащих воздухом, всплывать подобным образом так же нежелательно, как для птиц падать с неба. Однако некоторые все же всплывают. Как ни странно, шестижаберная акула, похоже, обладает положительной плавучестью, и предполагается, что она использует свою способность бесшумно всплывать, чтобы атаковать добычу снизу. Среди животных, не дышащих воздухом, есть, однако, и такие, которые приспособились плавать на поверхности, потому что им выгодно обитать на границе между водой и воздухом, и здесь самый известный пример – португальский кораблик. Это медузоподобное существо использует пузырь, наполненный газом, чтобы держаться на поверхности, где оно кормится мальками рыб и планктоном в местах их скопления. Но кораблик умеет только дрейфовать. Он прикован к границе между средами, как, например, слон, но, в отличие от слона, он неспособен целенаправленно передвигаться по этой границе.

Многие морские создания, в первую очередь рыбы, обладают нейтральной плавучестью – они стремятся достичь той же плотности тела, что и окружающая их жидкая среда, чтобы не всплывать и вместе с тем не тонуть. Обычно они управляют своей плавучестью с помощью особых тканей, насыщенных жиром, которые легче окружающей жидкости, или специализированных органов, наполненных газом, которые компенсируют вес более тяжелых частей тела. Эти животные обладают самой большой свободой передвижения. Они могут двигаться вперед и назад, и единственным ограничением служит трение и сопротивление текучей среды, сквозь которую они плывут. Но у них есть и куда более удивительная способность: во время движения, когда окружающая вода обтекает их тело, они могут перенаправлять этот поток, например, с помощью плавников, и двигаться вверх, вниз, в стороны. Таким образом, поступательное движение в текучей среде открывает возможности двигаться в любом направлении, в том числе поворачиваться. Это плавное динамическое движение необычайно эффективно, что объясняет акробатические трюки летучих мышей и мурмурации (причудливые «воздушные танцы») огромных стай скворцов, которые используют воздушные потоки, а не водные – равно как и всех рыб от анчоусов до данио, а также дельфинов, чьи способности к водным маневрам вызывают головокружение у человека-наблюдателя.

Как только животное с нейтральной плавучестью начинает двигаться в текучей среде, оно становится крайне восприимчиво к мельчайшим изменениям направления потока, и его движение становится неустойчивым. Эволюция в этом случае должна выработать какие-то средства стабилизации, например плавники. Их, в свою очередь, несложно приспособить для того, чтобы перенаправлять этот поток текучей среды и обеспечивать маневренность. Трудно вообразить, что только на Земле животные обнаружили колоссальные преимущества динамического движения в текучей среде, так что иные планеты, наверное, кишат – ну, пусть не рыбой, но какими-то животными с похожим способом передвижения.

Передвижение в различных текучих средах

Нейтральная плавучесть и движение в пределах одной среды

Если вы обитаете в пределах лишь одной текучей среды – воды, воздуха, жидкого метана, вам понадобится прилагать силу в отсутствие твердой опоры. Маховые или загребающие движения дают некоторую силу, и, разумеется, большинство животных так и поступает. Отталкивая текучую среду назад, можно получить силу, толкающую вперед. Но точные механизмы плавания животных в подвижной среде невероятно сложны и, как ни удивительно, зачастую еще не до конца понятны. Рассмотрим, например, человека в бассейне. Если вы руками оттолкнете воду назад, вы создадите силу, которая потянет вас вперед, но что дальше? Чтобы сделать следующий гребок, вам придется вытянуть вперед руки, но это создаст силу, тянущую назад, так что в результате вы не сдвинетесь с места. Конечно, вы скоро освоите плавание брассом, при котором, меняя конфигурацию рук, можно уменьшать эту силу по сравнению с силой гребка. Как вариант – выучиться плавать кролем, когда руки выносят вперед в воздухе, а не в воде, уменьшая тем самым тянущую назад силу.

Летающие и плавающие животные используют похожие приемы, меняя конфигурацию органа, создающего силу (крыла, плавника и т. д.), так что силы не нейтрализуют друг друга. Но выигрыш часто бывает ничтожным. Знаменитое (правда, ошибочное) утверждение гласит, что по законам физики шмель не может летать, но поскольку он не знает законов физики, то все же летает. На самом деле большинство насекомых, птиц и рыб не смогли бы летать или плавать только за счет маховых движений крыльев или плавников. Но им это удается, поскольку они используют огромный арсенал маленьких хитростей в отношении динамики подвижной среды, чтобы увеличить прилагаемую силу. В частности, многие животные, использующие динамику текучей среды, при движении создают вихри, вроде тех небольших водоворотов, которые возникают, когда вы делаете гребок в бассейне. Они – побочный результат движения, производящего силу. В местах завихрений движение среды ускоряется, и можно «поймать» эти вихри, чтобы получить небольшой дополнительный толчок вперед. Многие рыбы плавают, симметрично изгибая хвост из стороны в сторону, и его конфигурация не меняется (в отличие от рук человека, плывущего брассом). Как в таком случае получается устойчивая сила тяги, заставляющая тело двигаться вперед? И в этом случае ответ кроется в создаваемых вихрях, но только благодаря новейшим исследованиям с использованием методов моделирования движения частиц воды позади рыбы удалось понять, насколько завихрения среды важны для движения животных[50]. Когда хвост рыбы изгибается из стороны в сторону, он создает вращающиеся кольца воды, наподобие колец дыма из трубки. Эти кольца периодически меняют направление вращения и толкают рыбу вперед.

Движение в текучей среде (будь то жидкость или газ) представляется правдоподобным сценарием для иных планет, но задача получить достаточно сильную суммарную тягу вперед напрямую зависит от свойств этой среды. Завихрения образуются в любой текучей среде, и, поскольку других возможностей летать для шмеля не существует, естественный отбор скорее всего придет к аналогичным решениям и на других планетах. Инопланетные пчелы будут жужжать так же, как наши.

Помимо очевидных гребных движений крыльев птиц и насекомых либо плавников рыб, есть и другие способы передвигаться в текучей среде. Как уже упоминалось, микроскопические существа могут использовать покров из мелких волосков, так называемых ресничек, скоординированное биение которых и обеспечивает продвижение в воде. В основном этот способ пригоден лишь при очень малых размерах, однако загадочные гребневики (одна из древнейших форм животных; они похожи на медуз, но не приходятся им близкими родственниками) используют набор колеблющихся ресничек для плавания, правда достаточно медленного (1–2 см/с).

Еще больше впечатляет реактивное движение кальмаров, осьминогов и «живых ископаемых» наутилусов. Выбрасывая назад на большой скорости струю воды, они создают резкую тягу вперед, что позволяет умчаться от хищников. Но в то время, как наутилусы используют реактивную струю постоянно, кальмары и осьминоги двигаются так лишь в крайнем случае – реактивное движение кажется невыгодным по сравнению с гребными движениями рыб и птиц. Однако реактивная струя, подобная той, которую выбрасывают кальмары, использовалась их родственниками, аммонитами, которые были чрезвычайно широко распространены в древних морях на протяжении более 300 млн лет. При подходящих условиях использование реактивной струи, вероятно, вполне целесообразный способ передвижения на любой планете.

Текучие среды редко бывают неподвижными. Прежде всего, разницы температур, которые могут возникать из-за нагрева от солнца сверху или разогретых пород снизу, дают различия в плотности и давлении, в результате чего появляются течения, переносящие газ или жидкость с места на место. Животные могут отдаться на волю течения, позволяя ему нести их куда угодно, и многие планктонные организмы и другие морские существа поступают именно так. Но собственное движение среды, как ни странно, можно еще использовать и для получения сил, направленных в другие стороны, что позволяет животному двигаться, не прилагая значительных усилий.

Птицы, как известно, тяжелее воздуха, и потому их тянет вниз, что грозит им катастрофой. Но птицы умеют изменять угол наклона крыла таким образом, что восходящий поток создает подъемную силу, уравновешивающую вес птицы. Чудесным образом они приобретают «нейтральную плавучесть», совсем как рыбы. Эта подъемная сила, создаваемая потоком воздуха, и есть та сила, благодаря которой держатся в воздухе самолеты, – я это упомянул на тот случай, если вас интересует, почему сопла самолета направлены не вниз, а назад (многие рано или поздно задаются этим вопросом). Движение вперед создает воздушные потоки над крыльями, которые создают подъемную силу.

Необходимость держаться в воздухе при планировании несколько ограничивает возможности птицы произвольно менять направление полета, но помимо того, что поток воздуха обеспечивает подъемную силу, птицы умеют менять конфигурацию своих крыльев, чтобы создавать силу, направляющую их полет влево или вправо, – ведь и дельтапланерист до определенной степени может управлять полетом. Рыбы и насекомые затрачивают немало энергии, чтобы создать поток текучей среды над своими плавниками или крыльями, но альбатрос пользуется непрерывными воздушными потоками не только для того, чтобы парить над морем, но и для перелетов.

В этом разделе я хотел подчеркнуть, насколько непросто двигаться в текучей среде – и дело не в специфике текучих сред, характерных для Земли, а в том, что столь ненадежная подвижная среда не обеспечивает точки опоры. С другой стороны, преимущества жизни в текучей среде огромны: она гораздо меньше препятствует движению, чем твердая. Поэтому у животных возникли разнообразные способы использования текучей среды себе на благо. Насекомые летают – иногда с трудом, но всегда довольно эффектно, дельфины стремительно плавают и резвятся, выпрыгивая из воды, медузы неспешно передвигаются ритмичными толчками, а аммониты когда-то рассекали моря, выбрасывая струи воды. Нельзя быть до конца уверенными, что животные исчерпали все возможные техники передвижения в текучей среде, однако, похоже, земные текучие среды (главным образом вода и воздух) не обладают никакими специфическими свойствами, которые привели бы к появлению особых стратегий передвижения, характерных именно для этих сред. Нельзя, конечно, исключать возможность, что в других мирах существуют неизвестные нам способы движения, но можно быть уверенными, что по крайней мере некоторые из способов, наблюдаемых на Земле, встречаются и на других планетах.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Сноски

1

Таскер Э. Фабрика планет: Экзопланеты и поиски второй Земли. – М.: Альпина нон-фикшн, 2019.

2

Кларк А. 2001: Космическая одиссея. – М.: Эксмо, 2018.

3

Кларк А. Черты будущего. – М.: Мир, 1966.

4

И. С. Шкловский и Карл Саган. Разумная жизнь во Вселенной (Intelligent Life in the Universe by I. S. Shklovskii and Carl Sagan, 1966, p. 183).

5

Цит. по: Тит Лукреций Кар. О природе вещей / Пер. с лат. Ф. Петровского.

6

Докинз Р. Слепой часовщик / Пер. с англ. А. Гопко. – М.: CORPUS, 2015.

7

Деннет Д. Опасная идея Дарвина: Эволюция и смысл жизни / Пер. с англ. М. Семиколенных. – М.: Новое литературное обозрение, 2020.

8

Докинз Р. Эгоистичный ген / Пер. с англ. Н. Фоминой. – М.: АСТ; CORPUS, 2013.

9

Помимо этой книжки, написанной весьма доступным языком и предназначенной для широкого круга читателей, Маундер был известен своим стремлением популяризировать астрономию. Вместе со своей женой Анни Расселл, которая также занималась астрономией и окончила Гертон-колледж в Кембридже в эпоху, когда женщинам не разрешалось получать ученые степени, он основал Британскую астрономическую ассоциацию – в пику Королевскому астрономическому обществу, куда женщины не принимались.

10

Стивен Дик [ред.]. Последствия открытия внеземной жизни (The Impact of Discovering Life Beyond Earth by Steven J. Dick (ed.)).

11

Песня группы The 5th Dimension, 1969. – Прим. пер.

12

Дж. Б. С. Холдейн в своем эссе «Возможные миры» (Possible Worlds) писал: «Обычно философы, сконструировав нелепый мир, затем уверяются в том, что это и есть реальный мир».

13

Пример не совсем удачный, крылья африканского страуса выполняют, по крайней мере, три функции: поддержания равновесия на бегу, демонстрации перьев при половом поведении и защиты кладки от солнца. Потому они и сохранились, а не редуцировались полностью, как у эму или киви. – Прим. науч. ред.

14

В частности, первый закон термодинамики, в соответствии с которым энергия не возникает и не исчезает («не бывает бесплатных обедов»), и второй закон термодинамики, согласно которому полезная энергия всегда убывает («без убытков не обойтись»).

15

Хокинг С. Краткая история времени. От Большого взрыва до черных дыр. – М.: АСТ, 2018.

16

Для последовательности в 20 букв, если использовать 26 возможных букв латинского алфавита плюс знак пробела, количество возможных комбинаций 2720 = 42 391 158 275 216 203 514 294 433 201.

17

На «исправление» одного знака требуется в среднем 27 попыток (так как нужный знак – один из 27), поэтому ожидаемое суммарное число попыток 27 × 20 = 540.

18

Джон Мейнард Смит. Теория эволюции (The Theory of Evolution by John Maynard Smith).

19

Орен Харман. Цена альтруизма: Джордж Прайс и поиски истоков доброты (The Price of Altruism: George Price and the Search for the Origins of Kindness by Oren Harman).

20

Графическая модель эволюции в виде карты. Термин и модель предложены американским биологом С. Райтом (1931) (БСЭ). – Прим. ред.

21

Хойл Ф. Черное облако / Пер. с англ. Д. А. Франк-Каменецкого // Сб. НФ. № 4. – М.: Знание, 1966.

22

The Big Bang – более точный перевод этого термина – «Большой хлопок».

23

Цит. по: Хойл Ф. Черное облако / Пер. с англ. Д. А. Франк-Каменецкого // Сб. НФ. № 4. – М.: Знание, 1966.

24

http://bats.org.uk – краудсорсинговый проект наблюдений за нетопырями.

25

Мэтт Уилкинсон. Беспокойные создания: История жизни в десяти движениях (Restless Creatures: The Story of Life in Ten Movements by Matt Wilkinson, 2016).

26

Эти и многие другие случаи конвергентной эволюции подробно описаны в книге Саймона Конвея Морриса «Решение жизни: Неизбежность человека в одинокой Вселенной» (Life’s Solution: Inevitable Humans in a Lonely Universe by Simon Conway Morris, 2004).

27

Стивен Джей Гулд. Удивительная жизнь: Берджесские сланцы и природа истории (Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History by Stephen J. Gould, 1990).

28

Согласно наиболее распространенной гипотезе резкое изменение химического состава атмосферы и океанов на рубеже перми и триаса, вероятнее всего, было вызвано всплеском вулканической активности. Об этом много писали, в том числе и российские ученые (например: Журавлев А. Сотворение Земли. – М.: Альпина нон-фикшн, 2019). – Прим. науч. ред.

29

Майкл Бентон. Когда жизнь чуть не погибла: Величайшее массовое вымирание всех времен (When Life Nearly Died: The Greatest Mass Extinction of All Time by Michael J. Benton, 2003).

30

Прекрасный обзор движущих сил эволюции на Земле можно найти в книге «Слепой часовщик» Ричарда Докинза.

31

Популярное изложение вопросов пола и эволюции человека можно найти в книге: Ридли М. Секс и эволюция человеческой природы. – М.: Эксмо, 2011.

32

Имеется в виду, что у нас есть ядерная ДНК (которая наследуется от обоих родителей), а есть митохондриальная ДНК (только от матери). Однако существует применяемая для лечения некоторых генетических болезней технология митохондриального донорства, когда яйцеклетка матери получает митохондрии от другой женщины – донора. В этом случае ребенок действительно имеет ДНК от трех родителей – отца и двух матерей. – Прим. науч. ред.

33

Саймон Конвей Моррис. Решение жизни.

34

Из более специализированной литературы можно прочитать: Чарльз Кокелл. Астробиология: Изучение жизни во Вселенной (Astrobiology: Understanding Life in the Universe by Charles S. Cockell, 2020), но достаточно много и популярных книг на эту тему, например: Лукас Джон Микс. Жизнь в космосе: Астробиология для всех (Life in Space: Astrobiology for Everyone by Lucas John Mix, 2009).

35

Статуты штата Кентукки, новая редакция [KRS 446.010 (2)].

36

Сюзанн Гибсон. Животное, растение, минерал? Как наука XVIII в. нарушила естественный порядок вещей (Animal, Vegetable, Mineral? How Eighteenth-Century Science Disrupted the Natural Order by Susannah Gibson, 2015).

37

Мелвилл Г. Моби Дик / Пер. с англ. И. Берштейн.

38

Иона 1:17; в церковнославянском и русском переводах – «кит». – Прим. пер.

39

https://www.nonhumanrights.org/blog/hercules-leo-project-chimpssanctuary/.

40

Это относится только к так называемым высшим грибам. Например, у хитридиевых грибов споры вполне могут плавать с помощью жгутиков. – Прим. науч. ред.

41

Популярная цитата из поэмы Альфреда Теннисона «Памяти А. Г. Х.», гл. 56 (1849). Канонический русский перевод поэмы отсутствует. – Прим. пер.

42

Гипотезы, объясняющие природу эдиакарской фауны и тип питания ее представителей, весьма многочисленны. Гипотеза Макменамина, о которой говорит автор, – далеко не единственная из них. Некоторые представители эдиакарской фауны, по-видимому, жили слишком глубоко в воде, чтобы использовать фотосинтез, и должны были питаться другими способами. – Прим. науч. ред.

43

Марк Макменамин. Эдиакарский сад: Открытие древнейших сложных организмов (The Garden of Ediacara: Discovering the First Complex Life by Mark A. S. McMenamin, 2000).

44

В книге Ричарда Форти «Жизнь: Неавторизованная биография» (Life: An Unauthorised Biography by Richard Fortey, 2008) дается широкий и весьма доступный обзор истории жизни на Земле, хотя и не затрагивается целенаправленно проблема происхождения жизни. Подробнее эта тема изложена в более специализированной книге Джона Мейнарда Смита и Эрша Сатмари «Истоки жизни: От зарождения жизни до происхождения языка» (The Origins of Life: From the Birth of Life to the Origins of Language by John Maynard Smith and Eors Szathmary, 2000).

45

В 2018 г. принадлежность эдиакарской фауны к опистоконтам (причем к той их ветви, что близка к животным) была подтверждена исследованиями химических маркеров, сохранившихся в ископаемых остатках. Таким образом, поставленный здесь автором вопрос на данный момент решен. См. например, https://elementy.ru/novosti_nauki/433336/. – Прим. науч. ред.

46

Быт 1:29: «И сказал Бог: вот, Я дал вам всякую траву, сеющую семя, какая есть на всей земле, и всякое дерево, у которого плод древесный, сеющий семя; – вам сие будет в пищу».

47

Саймон Конвей Моррис. Решение жизни.

48

Питер Уорд и Дональд Браунли. Уникальная Земля: Почему сложные формы жизни нетипичны для Вселенной (Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe by Peter D. Ward and Donald Brownlee, 2003).

49

Дирк Шульце-Макух и Уильям Бейнс. Космический зоопарк: Сложные формы жизни во множестве миров (The Cosmic Zoo: Complex Life on Many Worlds by Dirk Schulze-Makuch and William Bains, 2017).

50

Подробное описание этого эффекта приводится в книге Мэтта Уилкинсона «Беспокойные создания», глава 4.