Супернавигаторы. О чудесах навигации в животном мире: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Возможно, некоторые из читателей считают, что причинение вреда животным ради получения знаний не может быть оправдано никогда и ни при каких обстоятельствах. Несомненно, можно привести этические аргументы в пользу полного запрета причиняющих вред экспериментов на животных, хотя я подозреваю, что лишь немногие из нас будут готовы смириться с последствиями такого запрета — особенно в отношении медицинских исследований. Тем не менее тот факт, что число животных, используемых в экспериментах (по меньшей мере в Великобритании), в последние годы сокращается, внушает оптимизм[3].

Этические аспекты научных исследований с использованием животных все еще остаются предметом споров, и я ни в коем случае не утверждаю, что знаю ответы на все связанные с этой темой вопросы. Однако я уверен, что предъявлять к ученым более жесткие требования, чем ко всем остальным, было бы неправильно.

Часть I. Навигация без карт

1. Мистер Стедмен и монарх

Когда мне было семь лет, в моей жизни появился замечательный учитель. Он преподавал математику, но не особо считался при этом ни с учебной программой, ни с возрастом своих учеников. Урок мистера Стедмена, начавшийся с теоремы Пифагора, вполне мог отклониться в топологию, а потом и вовсе провалиться в кроличью нору неевклидовой геометрии. Он говорил о том, что увлекало его самого, и, несомненно, считал, что нам полезно расширять кругозор.

Мистер Стедмен был не только математиком, но и опытным энтомологом; в летние месяцы он ставил в школе ловушку для бабочек. Я с нетерпением ожидал начала каждого учебного дня, потому что перед уроками я мог вместе с ним изучить все, что попалось за ночь в эту ловушку.

Моя школа находилась на краю Нью-Фореста[4], одного из лучших в Британии мест для насекомых, и в ловушке часто бывало штук пятьдесят, а то и сто мотыльков, тихо сидевших в коробке, в которую заманил их в течение ночи яркий светильник. Как я узнал, некоторые из бабочек не принадлежали к местным видам, а прилетали в эти места только на лето. Часто попадалась совка-гамма[5], которая — как мы теперь знаем — каждое лето прилетает в больших количествах из Средиземноморья и размножается на севере Европы. Почему эти насекомые совершают такие дальние путешествия и как они находят дорогу, было тогда полнейшей загадкой.

Я совершенно помешался на чешуекрылых: к маминому ужасу, моя комната заполнилась сачками, банками, энтомологическими коробками и высокими клетками, в которых я выращивал гусениц. Иногда я лежал ночью без сна, слушая, как жуют мои непрерывно евшие пленники и как падают с легким шорохом на листья, положенные им для еды, их микроскопические экскременты. Когда гусеницы наедались до отвала, они превращались в куколок (или хризалид) и их упитанные тела растворялись, образуя алхимический суп, из которого как по волшебству формировались взрослые мотыльки. Глядя, как они прорывают твердую, сухую оболочку своего кокона, медленно расправляют влажные, смятые крылья и, наконец, пускаются в полет, я чувствовал, что становлюсь свидетелем настоящего чуда природы — миниатюрного, но оттого не менее поразительного.

Моя многострадальная мама отвезла меня в лондонский Музей естественной истории, и один любезный молодой сотрудник музея отвел нас в служебные помещения. Отперев дверь, на которой не было никакой таблички, он впустил нас в огромный зал, заполненный шкафами красного дерева: в них хранились миллионы мотыльков и бабочек со всего света. Он показал мне одну крупную, экзотического вида бабочку, которая, как он сказал, встречается — хотя и очень редко — и в Англии. Происходит она не из Европы и даже не из Африки, а из Северной Америки. Даже если ей помогают перелететь через Северную Атлантику господствующие западные ветры или она путешествует на попутных кораблях, такой перелет все равно можно считать необыкновенным свершением.

Крылья этой бабочки могут достигать 10 сантиметров в размахе и выглядят как витраж работы художника-модерниста. Тонкие черные прожилки расходятся по оранжевому фону, светящемуся, как будто сквозь него светит солнце. Темные линии соединяются с более широкой черной кромкой, усеянной, как и голова бабочки, белоснежными горошинами. Такая окраска может показаться аляповатой, но ее кричащие цвета предупреждают хищника, собирающегося закусить этим насекомым, что он, возможно, совершает крупную ошибку. В бабочке может быть полно яда, полученного из растения, которым она кормилась, когда была гусеницей, — ваточника[6]. Эта бабочка, известная всем жителям Северной Америки, называется данаида монарх.

Я поделился своим восторгом с мистером Стедменом, и тот, не предупредив меня, заказал куколку данаиды монарха в одной из компаний, занимавшихся обеспечением энтомологов. Когда я открыл упаковку, то сразу же узнал ее содержимое: это была моя собственная Danaus plexippus!

Куколка была неземным произведением ювелирного искусства, длиной всего сантиметра два или три. Она лежала на подстилке из ваты, заключенная в свою блестящую броню, похожую на зеленую яшму, как миниатюрный китайский император, ожидающий перерождения. Я мог смутно различить контуры крыльев и сегменты будущего тела взрослого насекомого. По самой толстой части куколки проходила полукруглая дуга мельчайших золотистых точек, блестевших металлическим отливом; остальные золотые крупинки были рассеяны по другим участкам куколки. Куколка завораживала своей красотой — на мой взгляд, она была даже красивее, чем великолепная взрослая бабочка, — но в то же время пугала своей странностью. Как можно ожидать встретить бо́льшие чудеса в глубинах космоса, если наш собственный мир полон такой великолепной чужеродности?

Я так и не увидел появления бабочки: она умерла, не достигнув зрелого состояния. Но к этому времени монарх и его необычайная жизнь уже захватили мое воображение.

Много лет спустя я впервые увидел живого монарха в песчаных дюнах Амагансетта, недалеко от городка Монток на восточной оконечности острова Лонг-Айленд. Был конец августа, и эта бабочка, вместе с миллионами других, которых я не видел, уверенно летела к юго-западу. Ее полет был похож на беззаботный танец. Сделав несколько ленивых взмахов крыльями, она поднималась выше, затем планировала в течение нескольких секунд, медленно теряя высоту, а потом снова «включала двигатель». Но куда она летела и как, черт возьми, находила дорогу?

Именно с попытки ответить на эти вопросы и началось путешествие, которое в конце концов привело меня к написанию этой книги. Я знал, что на этом пути меня ожидают сюрпризы, но даже не подозревал, насколько многочисленными и разнообразными они окажутся.

Первые навигаторы

Когда я начинал свои исследования, я думал только о тех животных, которых можно увидеть, — например, насекомых, птицах, рептилиях, крысах, людях. Однако, хотя первые живые организмы, появившиеся на нашей планете, были чрезвычайно маленькими, первопроходцами в области бионавигации были именно они.

Земля сформировалась около 4,56 миллиарда лет назад в результате случайной встречи блуждающих астероидов, притянутых друг к другу гравитацией. В то время она была не очень-то гостеприимным местом: всю ее поверхность покрывали расплавленные горные породы. Приблизительно 4,5 миллиарда лет назад этот океан магмы начал остывать и затвердевать, и появились первые континенты, но ни океанов, ни даже воздуха на планете еще не было.

В течение сотен миллионов лет молодую планету бомбардировали все новые астероиды, но эти взрывные столкновения приносили не только разрушения. Благодаря им на Земле появилась вода и химические ингредиенты, давшие начало первым живым организмам[7]. Приблизительно 3,9 миллиарда лет назад Земля начала успокаиваться, и в самых глубинах ее первых океанов, вблизи гидротермальных источников — перегретых струй насыщенной минералами воды, бивших тогда и бьющих до сих пор из морского дна, — начали возникать простейшие формы жизни[8]. В их числе были и самые первые бактерии.

Хотя эти одноклеточные организмы чаще всего ассоциируются у нас с болезнями, в подавляющем большинстве своем бактерии безвредны, а многие из них вносят жизненно важный вклад в поддержание нашего физического и даже умственного здоровья. Чтобы выжить, они научились перемещаться к тому, что им нужно (например, к пище), и от того, что для них опасно (например, чрезмерно высокие температуры, слишком высокая или слишком низкая кислотность среды)[9]. У некоторых бактерий имеются специализированные органы движения, в том числе микроскопические моторы, приводящие в движение вращающиеся нитевидные структуры, которые называют жгутиками. Эта простейшая форма навигации известна под названием таксис — от греческого слова τάξις, означающего «порядок» или «строй».

Некоторые из бактерий используют особенно удивительную форму таксиса. Так называемые магнитотаксисные бактерии содержат мельчайшие намагниченные частицы, цепочки которых действуют как микроскопические стрелки компаса. Эти «стрелки» заставляют бактерии ориентироваться вдоль магнитного поля Земли, что помогает им находить дорогу вниз, к бедным кислородом слоям воды и отложений, условия которых особенно благоприятны для них. «Стрелки», которые находят в бактериях Северного полушария, имеют полярность, противоположную тем, которые встречаются у бактерий Южного. Этот простой пример иллюстрирует могущество естественного отбора.

Распознавание окаменевших бактерий — дело чрезвычайно трудное, но остатки магнитотаксисных бактерий находили в горных породах, образовавшихся сотни миллионов, а то и миллиарды лет назад. Хотя считается, что эти бактерии самыми первыми в истории нашей планеты пользовались магнитной навигацией, первые живые образцы были найдены только в 1975 году[10]. Как ни странно, их открытие совпало с демонстрацией использования магнитной навигации гораздо более сложными организмами — птицами.

Наши ближайшие родственники среди одноклеточных организмов имеют весьма труднопроизносимое название — это хоанофлагеллаты[11], или воротничковые жгутиконосцы. Они чуть сложнее бактерий, живут в воде и иногда собираются в колонии. Как и нам, им необходим кислород, и они способны не только обнаруживать чрезвычайно малые перепады его концентрации, но и активно перемещаться в направлении более богатого его источника — опять же при помощи своих жгутиков[12].

Еще сильнее поражают не имеющие мозга скопления единичных клеток, известные под малопривлекательным названием слизевиков. Эти простейшие организмы умеют медленно, но верно перетекать к источнику глюкозы, спрятанному на дне U-образной ловушки. При этом они используют примитивную память, позволяющую им не возвращаться в те места, которые они уже исследовали[13]. Кроме того, они с легкостью решают одну конструкторскую задачу, оказавшуюся сложной для людей: речь идет о проектировании оптимальной железнодорожной сети.

Исследователи обнаружили, что один слизевик, которому предложили множество овсяных хлопьев, разложенных в соответствии со схемой расположения городов вокруг Токио, принялся строить сеть туннелей для распределения питательных веществ, которые он извлекал из этих хлопьев. Как ни поразительно, в конечном виде эта сеть совпала с системой железнодорожного сообщения, реально существующей вокруг Токио. Слизевик решал эту задачу следующим образом: сначала он проложил туннели, идущие во всех направлениях, а затем стал постепенно отсекать лишние, так что в конце концов остались только те туннели, которые обеспечивали транспортировку наибольшего количества питательных веществ (то есть «пассажиров»)[14].

Выше по шкале сложности находятся гораздо более крупные, но все еще очень маленькие многоклеточные организмы, известные под названием «планктон», в изобилии живущие в океанах — в особенности тех, которые окружают Арктику и Антарктику. Многие из этих растений и животных невозможно разглядеть невооруженным глазом, но они часто скапливаются в таких огромных количествах, что море становится похоже на густой суп мисо. При так называемом цветении планктона целое море может приобрести ржаво-красный оттенок.

Такого рода существам не нужно точно знать, где они находятся, — что логично, так как они по большей части находятся во власти океанских течений, — но это вовсе не значит, что они пассивны. В поисках пищи или спасения от тех, кто сам может употребить его в пищу, многие виды животного планктона (или зоопланктона, к которому относятся мальки рыб, мелкие ракообразные и моллюски) на каждом закате и рассвете перемещаются вверх и вниз в толще воды, из темных глубин к поверхности и обратно. Планктон же растительный, который в основном остается вблизи поверхности, чтобы использовать более яркий солнечный свет, в случае необходимости может нырять в глубину, спасаясь от вредоносного воздействия слишком сильного ультрафиолетового излучения.

Выбор моментов таких перемещений обеспечивается способностью планктона отслеживать изменения интенсивности солнечного света, хотя полярной ночью, которая продолжается несколько месяцев, зоопланктон переключается на ритм, связанный с лунным светом[15]. В некоторых случаях в таких процессах участвует нечто большее, чем простая реакция на изменение освещенности. Некоторые виды планктона начинают движение еще до обнаружения каких бы то ни было изменений; даже будучи помещены в затемненный аквариум, они продолжают свою вертикальную миграцию еще в течение нескольких суток. Это загадочное поведение, по-видимому, связано с какими-то внутренними «часами», управляющими их перемещениями[16]. Вся пищевая цепочка океана в конечном счете зависит от планктона, и его колоссальных масштабов суточные миграции играют ключевую роль в жизни всей планеты.

Находить дорогу нужно даже простым червям, и один из них — стандартное подопытное животное, почвенная нематода Caenorhabditis elegans, — по-видимому, роет свои подземные ходы, используя для ориентации магнитное поле Земли[17]. А тритоны, некоторые из которых способны находить дорогу к своему родному водоему на расстоянии до 12 километров, пользуются магнитным компасом[18].

У кубомедуз — маленьких прозрачных животных, печально известных в тропической зоне Австралии сильными ожогами, которые они вызывают, — нет мозга, но есть глаза, и они отнюдь не отдаются на волю течения. Они плавают активно и целеустремленно, охотясь за своей добычей. Как ни странно, глаз у них целых 24 штуки, четырех типов.

[3] См.: Annual Statistics of Scientific Procedures on Living Animals Great Britain 2017, Home Office, 19 July 2018.

[4] New Forest — национальный парк на юге Великобритании, бывший с конца XI в. королевским охотничьим заказником. — Здесь и далее, если не указано иное, постраничные примечания переводчика.

[5] Бабочка Autographa gamma, другое русское название — металловидка гамма. Рисунок на ее крыльях напоминает греческую букву γ (гамма).

[6] Ваточник — североамериканское растение рода Asclepias семейства кутровых; при надломе стебля выделяется ядовитый млечный сок. — Прим. ред.

[7] Santosh, M., Arai, T., & Maruyama, S. (2017). ‘Hadean Earth and primordial continents: the cradle of prebiotic life’, Geoscience Frontiers, 8 (2). P. 309–327.

[8] Dodd, M. S., Papineau, D., Grenne, T., Slack, J. F., Rittner, M., Pirajno, F., … & Little, C. T. (2017). ‘Evidence for early life in earth’s oldest hydrothermal vent precipitates’, Nature, 543 (7643). P. 60–64.

[9] Adler, J. (1976). ‘The sensing of chemicals by bacteria’, Scientific American, 234 (4). P. 40–47.

[10] Blakemore, R. (1975). ‘Magnetotactic bacteria’, Science, 190 (4212). P. 377–379.

[11] Choanoflagellata.

[12] Kirkegaard, J. B., Bouillant, A., Marron, A. O., Leptos, K. C., & Goldstein, R. E. (2016). ‘Aerotaxis in the closest relatives of animals’, eLife, 5, e18109.

[13] Reid, C. R., Latty, T., Dussutour, A., & Beekman, M. (2012). ‘Slime mold uses an externalized spatial «memory» to navigate in complex environments’, Proceedings of the National Academy of Sciences, 109 (43). P. 17490–17494.

[14] Tero, A., Takagi, S., Saigusa, T., Ito, K., Bebber, D. P., Fricker, M. D., … & Nakagaki, T. (2010). ‘Rules for biologically inspired adaptive network design’, Science, 327 (5964). P. 439–442.

[15] Last, K. S., Hobbs, L., Berge, J., Brierley, A. S., & Cottier, F. (2016). ‘Moonlight drives ocean-scale mass vertical migration of zooplankton during the Arctic winter’, Current Biology, 26 (2). P. 244–251.

[16] Häfker, N. S., Meyer, B., Last, K. S., Pond, D. W., Hüppe, L., & Teschke, M. (2017). ‘Circadian Clock Involvement in Zooplankton Diel Vertical Migration’, Current Biology, 27 (14). P. 2194–2201.

[17] Vidal-Gadea, A., Ward, K., Beron, C., Ghorashian, N., Gokce, S., Russell, J., … & Pierce-Shimomura, J. (2015). ‘Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans’, Elife, 4, e07493.

[18] Phillips, J., & Borland, S. C. (1994). ‘Use of a specialized magnetoreception system for homing by the eastern red-spotted newt Notophthalmus viridescens’, Journal of Experimental Biology, 188 (1). P. 275–291.