Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации

Доказано, что гигантизм у стрекоз каменноугольного периода был возможен только потому, что тогда в атмосфере было больше кислорода. По самым смелым оценкам, его доля, вероятно, доходила до 35 % (для сравнения, сегодня – 21 %). У насекомых воздух проникает по трубочкам во все тело, если атмосфера была более богата кислородом, это сдвигало верхнюю границу размера несколько выше. Большое количество кислорода в атмосфере приводило к тому, что лесные и степные пожары (в результате удара молнии) случались чаще. Возможно, гигантские стрекозы спасались на своих огромных крыльях от вездесущего огня. В этом им везло больше, чем их ползающим современникам, гигантским многоножкам каменноугольного периода в 2,5 метра длиной или гигантскому скорпиону Pulmonoscorpius размером 70 сантиметров – по-моему, таким существам самое место в страшном сне. Что касается существа под названием Eryops, то его можно описать как гигантского тритона – это был прожорливый хищник, достигавший трехметровой длины, который в каменноугольный период занимал нишу образа жизни крокодилов.

У насекомых нет костей. Чтобы лучше представить себе их скелет, можно рассмотреть их более крупных родственников – омаров. У тех вместо костей что-то вроде роговых суставчатых трубок^[8] – так называемый экзоскелет, – внутри которого прячутся мягкие и влажные ткани организма. Крылья насекомых – не видоизмененные передние конечности, как у птиц, а тонкие, как бумага, отростки экзоскелета, подвижно закрепленные на панцире груди. Мышцы, которые поднимают крылья, тянут вниз ближний к телу конец крыла изнутри панциря, поэтому крыло поднимается вверх, словно рычаг. У небольшого числа крупных насекомых, вроде стрекоз, движение крыла вниз обеспечивается мышцами на дальней стороне крепления, как и следует ожидать. Но у гораздо большего количества насекомых у этого движения другой механизм, не такой очевидный. Мышцы, идущие вдоль груди, сокращаются, отчего верхняя часть панциря груди выпячивается. Это косвенно толкает крылья вниз, поскольку они крепятся на груди.

Насекомые способны махать крыльями с невероятной частотой – у некоторых мошек она достигает 1046 раз в секунду, на две октавы выше “до” первой октавы. Это вариант того безумно раздражающего жужжания, которое вы слышите, когда вас вот-вот укусит комар, которое поэт Д. Г. Лоуренс назвал “ненавистной дудочкой”^[9]. Невероятно трудно было бы достичь таких частот за счет одних лишь нервов, которые командовали бы мышцам крыла “вверх-вниз” тысячу раз в секунду. Они и не командуют. Вместо них у насекомых автоколебательные мышцы, которые вибрируют сами по себе, запуская нечто вроде очень частой дрожи. Летательные мышцы гнуса или комара – это маленькие поршневые двигатели, которые либо включены, либо выключены. Центральная нервная система просто приказывает: “Лети” (“включай автоколебательный двигатель”). А через некоторое время говорит: “Остановись” (“выключай двигатель”). Все время, пока мускульный двигатель включен, он вибрирует на заданной частоте, которая определяется “частотой настройки” крыльев. Крыло – словно маятник, который качается с заданной частотой, но несравнимо быстрее, чем маятник любых часов. Нота, которую мы слышим, меняется – будь то жужжание комара или шмеля. Но в основном это происходит потому, что, когда насекомое меняет направление, поведение “маятника” меняется под воздействием так называемых сил инерции. Именно поэтому морской хронометр Харрисона стал таким большим шагом вперед – только там были задействованы значительно более медленные колебания. Маятниковые часы на качающемся корабле теряют точность.

ГИГАНТСКИЙ ВОДЯНОЙ КЛОП

Самое крупное насекомое с автоколебательным механизмом крыла. Осторожно: мощные челюсти!

Некоторые более крупные насекомые, например стрекозы и саранча, устроены иначе. Как и у птиц, каждый взмах вверх и каждое движение вниз у них подчиняются командам центральной нервной системы. Автоколебательные механизмы движения мышц обычны для более мелких насекомых, но не для всех. Вероятно, самые крупные насекомые, которые летают таким образом, – гигантские водяные клопы – это грозные тропические создания со страшными челюстями, они больно кусаются, но не ядовиты. По большей части они живут в воде, но могут и летать. Именно благодаря большим размерам это насекомое выбрал для изучения автоколебательной мускулатуры мой оксфордский наставник профессор Прингл по прозвищу Весельчак Джон (улыбку он выдавливал из себя крайне редко).

Летучие мыши, единственные по-настоящему летающие млекопитающие, машут крыльями примерно так же, как птицы. Однако, хотя их крыльям недостает полезной кривизны, которую дают перья, летучие мыши, по-видимому, припрятали в своем кожаном рукаве другой козырь. Вдобавок к главным мышцам, которые управляют взмахами крыльев и промежутками между пальцами, на которых натянута перепонка, в коже крыльев есть ряды тонких, словно ниточки, мышц. Я не знаю, произошли ли эти plagiopatagiales от тех мышц, которые есть в коже всех млекопитающих и предназначены для того, чтобы поднимать волоски дыбом – чудесный реликт того времени, когда у нас было достаточно шерсти, чтобы согреться. Они, по-видимому, применяются для того, чтобы настраивать натяжение разных частей летательных поверхностей летучей мыши. А кроме того, возможно, чтобы добиваться кривизны иным способом, чем у птиц. Эти мышцы тонкой настройки внутри кожи вкупе с движениями пальцев, которые меняют конфигурацию крыла на более грубом уровне, обеспечивают мгновенный контроль над летательными поверхностями. Летучие мыши с их высокотехнологичными сонарами напоминают мне ультрасовременные самолеты-истребители. Конечно, если речь идет о мелких летучих мышах, которые охотятся на насекомых. Крупные крыланы, в том числе летучие лисицы, питаются плодами и не нуждаются в скоростной маневренности, поскольку не преследуют движущиеся цели.

В отличие от мелких летучих мышей, у крупных летучих мышей – крыланов – большие глаза. Зато у них нет сонара, либо он недоразвит и устроен иначе, что указывает на конвергентную эволюцию. Внешне крыланы напоминают мне птерозавров, хотя они, разумеется, млекопитающие. Были ли сонары у птерозавров? У некоторых были большие глаза, а значит, они летали по ночам, но, вероятно, полагались при этом на зрение. Кстати, мне всегда было интересно, был ли сонар у ихтиозавров – вымерших рептилий, напоминавших дельфинов. У дельфинов весьма чувствительный сонар, который возник в ходе эволюции совершенно независимо от летучих мышей. Но у ихтиозавров, в отличие от дельфинов, были очень большие глаза – и поэтому, возможно, не было сонара.

Летательному аппарату приходится мириться с компромиссом между устойчивостью и маневренностью. Джон Мейнард Смит, великий эволюционист и генетик, во время Второй мировой войны занимался проектированием самолетов, а затем вернулся в университет, чтобы стать биологом. Он подчеркивал, что этот компромисс важен для летающих существ вроде птиц точно так же, как и для рукотворных самолетов. Очень устойчивые воздушные суда могут, в сущности, летать сами – по крайней мере, ими сможет управлять даже относительно неопытный пилот. Но за это придется расплачиваться маневренностью. Устойчивые самолеты никуда не годятся как истребители, которым нужна подвижность и гибкость, умение быстро поворачивать и нырять в воздухе. А высокоманевренные самолеты неустойчивы – снова тот же компромисс. Ими могут управлять только асы с быстрой реакцией. Самые современные самолеты устроены так, что даже ас окажется бессилен без помощи бортового компьютера. Возможно, настанет день, когда даже лучших пилотов заменят электронные системы навигации.

Если поискать в царстве животных, окажется, что по части восхитительной маневренности и великолепного инструментария всех опережают мухи, особенно цветочницы. В отличие от других насекомых, все двукрылые (от гнуса и комаров до больших долгоножек, они же караморы, латинское название Diptera) обладают только одной парой крыльев. Вторая пара крыльев у них атрофировалась и в ходе эволюции превратилась в жужжальца — отростки с шишечками на концах, расположенные позади оставшихся крыльев. Жужжальца – это тоже летательные инструменты. Они трепещут, словно миниатюрные крылышки, но для полета совсем не той формы и слишком малы, они служат гироскопом, помогают рулить и сохранять равновесие. Если лишить насекомое жужжалец, оно не сможет летать – будет слишком неустойчивым. Устойчивость ему можно вернуть, приклеив хвост из перышка. Джон Мейнард Смит подчеркивал, что первые птерозавры, например, рамфоринх (Rhamphorhynchus), живший в юрский период, обладали очень длинными хвостами с чем-то вроде весла на конце. Вероятно, рамфоринхи очень устойчиво летали, но плохо маневрировали. Сравните их с птеранодонами (Pteranodon), которые жили на 100 миллионов лет позднее. У тех хвоста практически не было. Согласно Мейнарду Смиту, птеранодоны, вероятно, были маневренными, но неустойчивыми. Не имея хвоста-стабилизатора, им приходилось полагаться на тонкое управление летательными поверхностями, которое осуществлял мозг. А может быть, у птеранодона, как у современных летучих мышей, были мышцы в перепонках крыльев? Они очень пригодились бы ему, поскольку птерозаврам, у которых в крыле был только один палец, недоставало тонкой подстройки крыла, которую обеспечивают пальцы летучим мышам (таким же бесхвостым). Наверное, и мозг у птеранодона был сложнее, чем у рамфоринха, ведь ему нужно было обеспечивать весь необходимый “электронный” контроль? И зачем птеранодону огромный вырост на затылке, уравновешивавший торчащие вперед челюсти? Может быть, вся голова служила продольным рулем и автоматически разворачивала все тело птеранодона туда, куда он смотрел?

Такого длинного костистого хвоста, как у рамфоринха, нет ни у одной современной птицы. То, что мы привыкли называть хвостом птицы, – просто перья без костей, тогда как настоящий хвост – это та куцая гузка, которую мы видим у жареной курицы. Зато у археоптерикса, знаменитой ископаемой птицы юрского периода, которая, весьма вероятно, была предком всех птиц, был длинный костистый хвост, как и у большинства рептилий, в том числе и у рамфоринха. Можно предположить, что археоптерикс был аэродинамически устойчив, но не слишком маневрен, согласно Мейнарду Смиту.

ДОЛГОНОЖКА (КАРАМОРА) И ЕЕ “ГИРОСКОПЫ”

У большинства летающих насекомых четыре крыла, однако у мух – только два (отсюда название Diptera). Вторая пара крыльев в ходе эволюции превратилась в органы чувств под названием жужжальца – палочки с шишечкой на конце, которые служат крошечными гироскопами.

Птицам маневренность необходима, в частности, потому, что они летают стаями, где нужно избегать столкновений с соседками. А в стаи птицы сбиваются по самым разным причинам, важнейшая из которых состоит в том, что вместе безопаснее. Хищные птицы обычно хватают одну особь за раз, а расстояние между хищниками, как правило, большое, поскольку у каждого своя охотничья территория. Чем больше твоя стая, тем меньше вероятность, что именно тебя схватит ястреб или орел. Это правило действует особенно надежно, если удается заполучить место в середине стаи. Это преимущество справедливо и для косяков рыб, и для стад копытных. Такие группы могут быть очень большими, достигать сотен тысяч особей.

ДВА ПТЕРОЗАВРА С РАЗНИЦЕЙ В 100 МИЛЛИОНОВ ЛЕТ

Рамфоринх (вверху) – обладатель длинного хвоста, который, вероятно, позволял ему летать устойчиво, но без особой маневренности. Птеранодон (внизу), более поздний птерозавр, был практически лишен хвоста и в воздухе, возможно, был весьма маневренным, однако неустойчивым.

Таких необычайных размеров достигают перелетные стаи скворцов, поведение которых описывается особым термином мурмурация и отличается поразительной согласованностью. Птицы кружатся, поднимаются, снижаются, поворачивают – и все это словно по команде, будто вся гигантская стая – единый организм. Это впечатление подкрепляется тем, что границы стаи четко обозначены, в ней нет случайных особей. Исполнив восхитительный воздушный танец, птицы пикируют вниз на ночевку, и шелест их крыльев напоминает шум дождя. У наблюдателя возникает искушение заподозрить, будто у стаи есть вожак, однако его нет. Каждая отдельная птица следует общему своду простых правил и внимательно следит за соседками, в результате чего и достигается такая согласованность.