Открытия и гипотезы, 2015 №05

Эволюция "вертолетиков"

Ученые из Калифорнийского университета в Беркли оценили аэродинамические качества семян различной формы, принадлежавших древнему хвойному растению.

Как известно, семена елки или сосны, когда они выпадают из шишки, начинают вращаться, подобно миниатюрному вертолету. Это позволяет семенам провести больше времени в воздухе, что, в свою очередь. увеличивает их шансы упасть на свободный участок леса и успешно прорасти.

В наши дни все семена-«вертолетики» устроены одинаково и имеют одну лопасть.

Однако на первых этапах эволюции хвойных встречались семена разной конструкции. Например, в пермских отложениях на территории штата Техас найдено множество семян хвойного Mamfera talaris сразу трех типов строения.

80 % семян этого растения, произраставшего около 270 млн. лет назад, несли вторую маленькую лопасть, 13 % обладали двумя симметричными лопастями, а еще 7 % были снабжены лишь одной лопастью, подобно хвойным в наши дни.

Авторы исследования изготовили модели всех этих семян из пластика и бумаги и выяснили, что семена с одной лопастью крутились в воздухе примерно в 2 раза дольше, чем семена иной конструкции.

Ученые показали, что с увеличением массы семени конструкция с одной лопастью приобретает еще больше преимуществ. Поэтому неудивительно, что хвойные в ходе длительной эволюции сделали выбор в пользу именно таких семян.

Подготовил К. Кириенко

Электрическое чувство

Живые существа дали нам понятие об электричестве задолго до того, как была сконструирована первая батарея. Древних греков познакомил с электричеством черный скат Torpedo nobiliana. Он производит разряды с напряжением порядка 50 вольт — при высокой проводимости морской воды — это достаточно много.

«Химия и жизнь»

«Ты очень похож и видом, и всем на плоского морского ската: он ведь всякого, кто к нему приблизится и прикоснется, приводит в оцепенение, а ты сейчас, мне кажется, сделал со мной то же самое — я оцепенел», — такой комплимент в трактате Платона «Менон» делают Сократу за его ошеломляющие логические построения. Знакомый древним грекам черный электрический скат Torpedo nobiliana производит разряды с напряжением порядка 50 вольт — это штука посильнее философии. (Авторы некоторых книг пишут и про 200 вольт, но другие специалисты считают это значение завышенным.) Менее знамениты донные электрические рыбы семейства звездочетовых, названные так за высоко посаженные глаза, будто бы взирающие на небо сквозь воду (на самом деле такими глазами удобно высматривать добычу, закопавшись в песок).

Электрические рыбы бывают и пресноводными. В Африке египтяне и абиссинцы удивлялись электрическим сомам семейства Malapteruridae (300–400 вольт; они вынуждены давать более высокое напряжение, чем скаты, так как пресная вода хуже проводит электричество). В реках Южной Америки живет электрический угорь Electrophorus electricus — у крупных рыб этого вида напряжение достигает 600 вольт. Это о нем говорится в фантастической трилогии «Алюмен» Генри Лайона Олди, действие которой происходит в первой половине XIX века.

«Над водой… возникла узкая, приплюснутая голова на длинной шее. Голая кожа — бурая, в темных пятнах; нижняя челюсть и горло — ярко-оранжевые, как листья рябин в начале осени. Рыба? змей?!» Электрических угрей, согласно сюжету романа, привозит в Европу знаменитый датский физик Ганс Христиан Эрстед.

Натуралисты далеко не сразу поверили, что эти рыбы наносят удар именно электричеством. Предполагали, например, что они каким-то загадочным способом «замораживают» человеческую руку или стремительно бьют по ней. Уже было известно, что и живые существа, и вода проводят ток, поэтому утверждение, что проводник, плавающий в проводнике, генерирует электричество, не могло быть принято без веских доказательств. В июне 1772 года член Королевского общества сэр Джон Уолш специально привозил французским рыбакам лейденскую банку, чтобы они сравнили эффект от ее разряда с ударом ската. Добровольцы уверенно ответили ученому англичанину, что ощущения такие же.

«Те, что предсказывали и показали связь электричества со страшными атмосферными молниями, со вниманием узнают о том, что в глубине океана электричество существует в виде кроткой молнии, молчаливой и невидимой. Те, что анализировали заряженные банки, с удовольствием увидят, что их законы справедливы и для живых банок. Те, кто стал электриком благодаря разуму, с уважением отнесутся к электрику по инстинкту, которого природа с самого рождения одарила чудесным аппаратом и способностью пользоваться им», — так писал Уолш, обращаясь к Бенджамину Франклину. По просьбе Уолша Генри Кавендиш создал модель электрического ската, которую «запитали» от батареи лейденских банок и погрузили в подсоленную воду.

Опыты с моделью убедили естествоиспытателей в электрической природе разрядов живых рыб. (Кстати говоря, сам Кавендиш, сильно опережая свое время, был в этом убежден. Именно он впервые получил при разряде угря искру — «чистое электричество».)

В следующее десятилетие начал свои эксперименты Луиджи Гальвани, доказывая, что электрические явления лежат в основе нервно-мышечного взаимодействия и что они, следовательно, распространены в живой природе повсеместно.

В то время таинственная общность между небесной молнией, наэлектризованными телами, металлическими пластинами в солевых растворах, нервами и мышцами животных привлекала внимание всех образованных людей. Она вызывала к жизни гипотезы не менее фантастические, чем у Генри Лайона Олди, и она же вдохновила ученых на исследования, которые, в конечном счете, дали нам понимание природы нервного импульса и устройства нервной системы. Это отдельная и очень интересная тема, но сейчас вернемся к электрическим рыбам.

Алессандро Вольта называл свое устройство для получения электричества «искусственным электрическим органом», подчеркивая его сходство с органами рыб.

Вольтов столб (1799) состоял из одинаковых контактных пар металлов, собранных в столбик, одинаково ориентированных и разделенных влажными тканевыми дисками. Напряжение между крайними металлами было пропорциональным количеству пар.

Естественный электрический орган рыб состоит из специальных клеток — электроцитов, также соединенных последовательно (рис. 1).

Рис. 1. Нервные окончания, соединенные с мышечными клетками (а) и с электроцитами (б). Принцип один и тот же, но отличается пространственная организация: электроциты, собранные в столбик, подобно контактным парам вольтова столба, создают заряд с одной и той же стороны. Справа (в) — структура нервно-мышечного синапса.

Каждая клетка представляет собой пластинку, к которой подходит нерв. Клетки электроцитов возбуждаются одновременно (что для обычных мышечных клеток не характерно) и создают заряд с одной и той же стороны, как батарейки в «гнезде».

Вольта выстроил свой столб, чтобы усилить эффект, слишком слабый всего в одной паре контактирующих металлов.

Электрическому угрю, чтобы получить напряжение 600 вольт, нужно включить последовательно не менее 4000 клеток. А чтобы получить еще и достаточно сильный ток, столбиков клеток должно быть много. В итоге электрические батареи занимают значительную часть тела рыбы, изрядно потеснив все остальные органы, которые к тому же приходится защищать от собственных разрядов.

Тем не менее, игра стоит свеч. Электрическое оружие не только позволяет скату, угрю и сому успешно охотиться, оглушая или даже убивая более мелких рыб и беспозвоночных, но и защищает от врагов. Если хищнику случалось иметь дело с электрической рыбой, то, увидев ее вновь, он сразу поймет, что не настолько голоден.