Открытия и гипотезы, 2015 №05

Электрическая «головоломка Дарвина»

Эта проблема встает перед теорией эволюции всякий раз, когда необходимо объяснить происхождение высокоспециализированного органа. Ясно, что крыло, позволяющее летать по воздуху, дает преимущества своему владельцу. Но как быть с промежуточными формами? Какой прок в передней конечности, которая еще не пригодна для полета и уже не пригодна для бега? Животное с такой мутацией скорее будет менее приспособленным, чем его «нормальные» сородичи! А значит, говорят антидарвинисты, естественный отбор не должен поддерживать начальные стадии образования специализированного органа. Кстати, для многих таких органов промежуточных форм и не найдено, они возникают как будто сразу в готовом виде. И начинается: Дарвин, возможно, был не прав, теория эволюции, возможно, ошибочна…

Тем, кто «Происхождения видов» не читали, но осуждают, будет интересно узнать, что первым обратил внимание на эту проблему сам Дарвин. А в качестве одного из примеров «исключительных трудностей теории» он выбрал электрических рыб.

Электрические органы, писал Дарвин, встречаются в различных группах рыб, о которых немыслимо предположить, что они имеют общего предка. (Загляните в начало статьи: совершенно несходные между собой семейства, разные части света…)

Однако и сами электрические органы, например, ската и угря не сходны между собой, поэтому искать общего предка нет резона — логичнее предположить, что эти органы возникли независимо. «Так. отпадает трудность, связанная с появлением, по-видимому, одного и того же органа у видов, находящихся в очень отдаленном родстве; остается только меньшая, но все же достаточно большая трудность, именно: какими шагами шло развитие этого органа в каждой отдельной группе рыб». Если полезное приспособление возникало неоднократно, то и переходных форм, по идее, должно быть много. И где же они?

Недостающие звенья ищут в палеонтологической летописи либо среди родственных видов, у которых специализация не зашла так далеко. Но если про недостающее звено между лапой и крылом, по крайней мере, заранее известно, что это должна быть передняя конечность необычного вида, то предсказать, на что будет похож прототип электрического органа, гораздо сложнее. Или этот орган есть у животного, или его нет, причем первый случай — большая редкость (так казалось в XIX веке). И как в той же главе отмечает Дарвин, «геология не дает никаких оснований предполагать, что большинство рыб обладало некогда электрическими органами, утраченными их модифицированными потомками».

С крылом эволюционисты разобрались — и промежуточные формы обнаружили, и объяснили, каким образом «незаконченные» органы могли повышать приспособленность. (Например, «протокрыло» предков рукокрылых, непригодное для беганья, хорошо отводилось в сторону, а значит, с такой конечностью было удобно лазить по толстым стволам деревьев.) Повидимому, каждое приспособление, возникшее в ходе эволюции, на ранних стадиях формирования уже приносило своему обладателю пользу. Хотя и не всегда в той же области, что «последняя версия».

Что касается электрических органов, возможное направление исследований наметил Дарвин в той же главе «Происхождения видов». “Общепризнано близкое сходство этих органов с обыкновенными мышцами как по внутреннему строению и распределению нервов, так и по воздействию на них различных реактивов. <…>

Далее этого наше объяснение в настоящее время не простирается, но <…> было бы крайне смело утверждать, что не существовало никаких подходящих переходов, которыми могло идти развитие этих органов».

Открытие «шестого чувства»

Прорыв в исследовании электрических рыб осуществил в середине XX века Ганс Вернер Лиссманн, родившийся в городе Николаеве (1909 г.) и с 1934 года работавший в Кембридже (рис. 2).

Рис. 2. Ганс Вернер Лиссманн (1909–1995), первооткрыватель электрорецепции, остался легендарным героем-одиночкой для узкого круга специалистов.

В 1951 году он опубликовал сообщение в «Nature» о том, что зарегистрировал электрические разряды от пресноводной рыбы гимнарха Gymnarchus niloticus. А в 1958 году, после семи лет плодотворных экспериментов и полевых исследований, в «Journal of experimental biology» вышла его главная статья — «О функции и эволюции электрических органов рыб». Лиссманн убедительно доказывал, что электрические органы рыбам нужны для ориентирования и общения.

Все началось с того, что Лиссманна, изучавшего динамику движений животных, заинтересовала способность гимнарха плавать хвостом вперед и при этом уверенно обходить препятствия. Предполагаемый электрический орган у гимнарха находился как раз в хвосте, и Лиссманну удалось установить, что этот хвост испускает импульсы стабильной частоты (порядка 300 Гц) и амплитуды (около 30 мВ в метре от рыбы). Кроме того, гимнарх явно реагировал на объекты из проводящих материалов. например на опущенную в аквариум медную проволоку. Лиссманн предположил, что гимнарх ориентируется с помощью электролокации — ощущает искажения силовых линий собственного поля.

Этот способ мировосприятия, по-видимому. не имеет аналогий не только с человеческими органами чувств, но и с человеческой техникой. Когда же стало понятно, что и как искать, слабоэлектрических рыб оказалось не так уж мало.

Совместно с Кеном Мэйчином, отвечавшим за инженерное обеспечение, Ганс Лиссманн провел серию интересных экспериментов. Например, гимнарху предъявляли два закрытых сосуда, непрозрачных в оптическом диапазоне, но «прозрачных» для тока. У рыбы вырабатывали рефлекс: выбирать червяка рядом с тем из двух сосудов. электропроводность содержимого которого была больше, чем у воды (рис. 3).

Рис. 3. Эксперименты Лиссманна с гимнархами показали, что эти рыбы могут различать сосуды по электропроводности содержимого.

При этом регистрировали и разряды, исходящие от гимнарха, и нюансы его поведения. Аналогичные опыты позволили установить диапазон электрочувствительности гимнарха и сравнить ее с чувствительностью других рыб. Например, представители отряда карповых реагируют на электрические токи в диапазоне от 8 до 110 мкА/см². Пороговая плотность тока, которую распознает гимнарх, составила, по оценкам Мэйчина, 10-5 мкА/см² — оцените разницу в порядке величин!

Высокую чувствительность обеспечивают совершенные устройства приема. В подводном царстве широко распространены ампулярные рецепторы, в виде ямки «ампулы». Подобные структуры найдены и на коже некоторых палеонтологических образцов, например латимерий. Ампулярные рецепторы — низкочастотные, они лучше всего воспринимают единицы или доли герц и встречаются у многих типов рыб, в том числе неэлектрических: осетров, акул, сомов.

У мормирид, помимо ампулярных, есть электрорецепторы особого рода — бугорковые. Они воспринимают специализированные разряды электрических органов, собственных и чужих. Сигналы от них поступают в мозг рыбы, в так называемые электросенсорные доли. Рыба «видит» всей кожей электрические поля, и это позволяет ей ориентироваться даже в темноте или в замутненной воде, а также общаться с сородичами. Ни один скептик не скажет, что это приспособление — не полезное!

Зачем рецепторы неэлектрическим рыбам? Ганс Лиссманн предположил, что в ходе эволюции первичной была не электрогенерация, а электрорецепция — возможность наблюдать изменения электрических полей стала предпосылкой для умения генерировать такие поля. Логично: животные, лишенные слуха, не подают звуковых сигналов, не различающие цветов — не демонстрируют друг другу ярко окрашенные крылья или хвосты. А вот молчаливые существа, наделенные слухом, известны. Тем же акулам электрочувствительность помогает находить добычу.