Текст книги "Удивительная биология"

Автор книги: И. Дроздова

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

Вздымая фонтаны

Прошлое кита чрезвычайно темное. Известно лишь, что несколько ранее 100 млн лет назад некие небольшие четвероногие сухопутные животные претерпели ряд быстрых эволюционных изменений. За 50 млн лет – с геологической точки зрения срок незначительный – они научились плавать и производить на свет детенышей, начинавших плавать, едва они оставляли материнское чрево. 20 млн лет назад эти животные утратили уши и задние ноги; тело их приобрело торпедообразную форму, у них появился хвост, похожий на рыбий, они лишились волосяного покрова, а ноздри сместились к верхней части головы. Тот факт, что киты приобрели рыбообразную форму, свидетельствует о конвергентности эволюции – процессе, когда две группы разных, не связанных родством животных в ходе приспособления к одинаковым условиям приобретают одинаковые внешние формы.

Эмбрион кита в материнской утробе повторяет этот процесс. К тому времени, когда эмбрион достигает величины около 4 см, у него исчезают все внешние следы задних ног. Передние его ноги вначале напоминают руки человеческого зародыша. Затем кости плеча и предплечья в значительной степени укорачиваются и расплющиваются, но конечные суставы, или «пальцы», сохраняются. У одних видов китов, например у кашалотов, имеются все пять пальцев, у других – у синего кита и у горбача – недостает большого пальца. Все пальцы огромной китовой «кисти» заключены в мускулистую оболочку, образующую короткий плоский плавник обтекаемой формы. Эти плавники служат китам, как грудные плавники рыбам, в качестве стабилизатора и руля.

Двигателем является мощный хвост, в котором, как писал американский писатель Герман Мелвилл в своем романе «Моби Дик», «словно бы сосредоточена вся безмерная сила кита». В нем же заключено наибольшее внешнее различие между рыбой и китом. Хвост у рыбы расположен вертикально, а у кита горизонтально. Рыба движется с помощью волнообразных колебаний всего тела, ударяя хвостом из стороны в сторону, а кит – благодаря движениям хвоста вверх и вниз. Во время вертикального перемещения хвоста его широкие плоские лопасти изменяют степень наклона, или угол атаки, отталкиваясь от воды, и тем самым двигают животное вперед. «Изгибы этого хвоста, – писал Мелвилл, – неизменно исполнены необыкновенного изящества».

Огромный, длиной свыше 20 м, полосатик ударяет своими «хвостовыми крыльями» 1-2 раза в секунду, развивая крейсерскую скорость около 12 узлов. Дельфинам достаточно сделать всего 3-4 удара в секунду, чтобы не отстать от судна, делающего 16 узлов. По-видимому, такая скорость близка к наивысшей для дельфинов и морских свиней, хотя на первый взгляд кажется, что эти мелкие зубатые киты развивают бо2ль-шую скорость, когда, резвясь, плывут рядом с кораблем и перепрыгивают через волны, образуемые его форштевнем.

Руководствуясь такими наблюдениями, ученые и моряки долгое время и впрямь считали, что дельфины плавают быстрее, чем теоретически позволяет их мускульная сила. Количество работы, производимое одним мышечным волокном, приблизительно одинаково у всех здоровых существ, будь то человек, тигр или кит. Поэтому можно вычислить мощность, развиваемую животным, измерив совокупность его мускулатуры. Когда ученые внесли эту цифру наряду с другими данными в свои формулы, они установили, что дельфин не может двигаться со скоростью больше 12—16 узлов. Четыре вида испытаний по определению скорости этих животных, проведенных учеными Калифорнийского университета, подтвердили, что это их наибольшая скорость. Кроме того, испытания эти убедительно доказали, что у дельфинов такая же мощность на единицу веса их тела, как и у атлетов, и что при передвижении эта мощность используется на 85 %.

Гладкая поверхность тела кита и идеально обтекаемые его обводы отчасти объясняются наличием толстой подкожной жировой прослойки, которая служит как бы внешней оболочкой животного. Наружная часть кожного покрова содержит губчатый слой, придающий эластичность поверхности всего тела. Пытаясь объяснить кажущиеся сверхскорости дельфинов, ученые выдвинули гипотезу, что поверхность их тела совершает волнообразные изгибы, соответствующие волнам в воде, обтекающей тело. Они полагают, что поверхность тела животного изменяет свою форму одновременно с изменениями давления окружающей его воды.

Люди надеются, что им удастся использовать секрет дельфинов при постройке судов, торпед и подводных лодок. Доктор Макс Крамер, немец по происхождению, один из основоположников гидродинамики китов, предложил покрывать подводные лодки эластичной резиново-пластиковой оболочкой для увеличения их скорости. Американская резиновая компания («Раббер компани») проводила опыты с резиновым покрытием под названием «ламинфло» для корпусов скоростных моторных лодок.

Военно-морские министерства и другие военные и гражданские ведомства разных стран не жалеют денег на изучение китов, потому что в течение своего эволюционного развития, продолжавшегося 100 млн лет, эти животные разрешили для себя ряд проблем, остающихся для человечества загадкой. Например, каким образом китам удается задерживать дыхание на такой длительный срок, нырять так глубоко и всплывать с такой быстротой? Дельфины обычно остаются под водой от 1,5 до 7 мин, а по крайней мере один из видов этих животных достигает глубины свыше 120 м. Тюлени Уэдделла погружаются в студеные воды Антарктики на глубину до 450 м и в течение 28 мин ловят себе на обед рыбу. Кашалоты (Моби Дик тоже был кашалотом) опускаются на глубину 1000 м, где иногда остаются, охотясь за кальмарами, до полутора часов. Киты-бутылконосы, достигающие в длину 10 м, могут находиться под водой два часа.

По словам доктора Пера Шоландера, киты могут позволить себе это благодаря своеобразному регулятору жизненных процессов. Поток крови, содержащей жизненно важный кислород, не подается в органы, которые какое-то время могут обойтись без него, а поступает в те органы, которым он наиболее необходим. Как только кит или тюлень начинает погружаться, биение сердца у него ощутимо замедляется. Кровеносные сосуды, идущие к ластам, хвостовым мышцам и иным тканям, сжимаются до минимума и практически прекращают подачу крови. Сэкономленный драгоценный кислород подается в мозг и сердце – органы, которым труднее всего без него обходиться.

Все это позволяет китам быстро погружаться на значительные глубины. А как происходит всплытие? Если водолаз или кессонный рабочий станет подниматься с такой же скоростью, что и кит, его тело сведет судорога, и он может погибнуть. Азот и другие газы, растворившиеся у него в крови под высоким давлением, начнут выделяться в виде пузырьков, как только давление станет быстро уменьшаться. Происходит то же самое, что и при откупоривании бутылки содовой. Пузырьки эти образуются в крови, сердце, тканях ныряльщика, вызывая мучительные судороги, а иногда и смерть.

У китов при быстром всплытии подобной проблемы не возникает, потому что они в отличие от водолазов и кессонных рабочих не дышат сжатым воздухом. При использовании такого воздуха постоянно подаются новые порции азота, а под высоким давлением азот сильнее поглощается кровью. Киты же вдыхают лишь ограниченное количество воздуха, находящегося под обычным давлением, поэтому азота они поглощают немного.

Кроме того, как полагают некоторые зоологи, пенообразное, жирное вещество в дыхательном горле кита впитывает азот, препятствуя его проникновению в кровь; но это еще окончательно не доказано.

Лишенный притока свежего воздуха, ныряющий кит получает энергию для приведения своих мышц в движение за счет метаболического процесса, при котором не потребляется кислород. В ходе такого процесса организм испытывает кислородное голодание, которое должно быть ликвидировано при всплытии. Всплывая после длительного пребывания под водой, кит дышит, словно бегун, закончивший дистанцию. Такое учащенное дыхание китобои называют «продувкой».

При «продувке» из дыхала, находящегося на верхней части головы кита, вырывается фонтан мельчайших брызг. Но это не морская вода, как считают некоторые, а струя конденсированного пара, выдыхаемого китом. Она сильно отдает запахом рыбы и содержит небольшое количество воды, попадающей в верхнюю часть дыхала. Водяные пары теплого выдыхаемого воздуха конденсируются при столкновении с более холодным наружным воздухом. Подобно тому как в холодную погоду человек видит свое дыхание в виде пара, так и струя, бьющая из дыхала кита, в полярных районах становится более заметной. Однако она заметна и в тропиках – очевидно, потому что вырывается под давлением и расширяется очень быстро, а такого рода расширение сопровождается охлаждением.

Зачастую стадо китов всплывает и начинает дружно, как один, отдуваться. Если ветер не слишком силен, то можно определить вид кита по фонтану. У японских китов он двойной, V-образный. У синих китов и полосатиков одна высокая вертикальная струя, у кашалотов она несколько наклонена вперед. Кашалоты и японские киты, так же как серые киты и горбачи, имеют обыкновение, перед тем как нырнуть, подбрасывать хвост в воздух. Гренландские киты, прежде чем уйти в глубь, с минуту помахивают хвостом как бы в виде приветствия. Возможно, это происходит из-за того, что толстый слой легкого жира в какой-то степени затрудняет им погружение. Мелвилл писал: «Это покачивание хвостом – пожалуй, самый значительный жест во всей живой природе. Этот гигантский хвост из бездонной пучины словно бы пытается ухватиться за столь же бездонные небеса».

Почему киты выбрасываются на берег?

Средства массовой информации не раз сообщали о гибели китов, выбросившихся на песчаные отмели. Вряд ли можно серьезно предположить, что животные в порыве отчаяния решили свести счеты с жизнью, хотя такие утверждения появлялись в печати. Вероятнее другая версия: киты случайно выбрасываются на берег, спасаясь от преследования врагов. Недавно была выдвинута еще одна гипотеза, вполне заслуживающая внимания: животные гибнут, теряя способность ориентироваться в пространстве с помощью своего эхолокационного аппарата.

Известно, что китообразные издают сигналы и воспринимают отраженное эхо, пользуясь этим как для связи друг с другом, так и для ориентации. С помощью эхолокации китообразные находят пищу, обследуют препятствие, определяют расстояние до дна, близость берега.

Легко предположить, что произойдет, если эхолокационная система кита выйдет из строя. Вот поэтому такой интерес вызвало сообщение английских исследователей, обнаруживших в воздушных мешках черепов выбросившихся на пляж дельфинов нематод (это было в мае 1973 г.). Нематоды – паразиты, которые, поселившись в другом организме и живя за его счет, могут вызвать более или менее тяжелые функциональные расстройства этого организма.

В ноябре 1973 г. аналогичное сообщение поступило от американских исследователей. Воздушные мешки и внутренние уши всех выбросившихся на берег зубатых китов, за исключением двух малышей, были буквально забиты нематодами. Желудки же погибших китов оказались пустыми. По-видимому, поражение системы эхолокации этих животных было настолько велико, что они уже не могли ни добывать себе корм, ни двигаться в правильном направлении. То, что киты оставались в группе, позволяет предположить, что они не потеряли слух полностью и могли общаться между собой. Конечно, эти факты еще не доказательство. Гипотеза нуждается в проверке, и лишь после подтверждения ее лабораторными экспериментами можно будет сказать, что в «самоубийстве» китов нет ничего таинственного: это результат выведения из строя их великолепного эхолокационного аппарата.

«ДИСКОТЕКИ» ВСЕЙ ПЛАНЕТЫ

У каждой эпохи свой темп, свой ритм

У каждой эпохи свой темп, свой ритм. Однообразный и медленный ход громоздких старинных часов составляет резкий контраст со стремительным перестуком современных электронных хронометров. Недаром нам иногда кажется, что в прошлом время двигалось медленнее, чем сейчас, ведь ценность времени определяется прежде всего тем содержанием, которым наполняет его человек. Время призывает к четкости, экономичности, целесообразной организации режима труда и быта – иными словами, к ритмичности.

Исследование механизмов «живых часов» тесно связано с познанием особенностей биологического времени.

Биологическое время, как и всякое другое время в истории, природе и обществе, обладает уникальным свойством необратимости. Есть только «теперь», но пока еще нет «завтра» и уже нет «вчера»; каждый миг мы уже не те, что были, и еще не те, что будем некоторое время спустя.

Уже в древности существовали различные мнения относительно природы времени. «Все течет, все изменяется», – восклицал Гераклит. Напротив, Парменид утверждал, что время не возникает и не пропадает. Его не было в прошлом и оно не существует в будущем, ибо оно только в настоящем. «Без перерыва, одно», – заключил он.

Проблемой биологического времени заинтересовались не только биологи. Норберт Винер, основатель кибернетики, подчеркивал в начале 1960-х годов, что главные проблемы биологии связаны с организацией биосистемы во времени и пространстве. Не обошли вниманием эту проблему и поэты, демонстрируя в своих стихах слияние жизни и творчества с ходом времени.

Время – важнейшее условие жизненных процессов. Значение временных соотношений особенно ярко проявляется в эволюционном (филогенетическом) и индивидуальном (онтогенетическом) развитии организмов. Здесь время выступает в качестве реально действующего фактора. Так, для эволюции первобытного человека потребовались многие миллионы лет – то есть не только труд, но и время формировало человека.

Поскольку любой биологический процесс имеет ту или иную продолжительность, отсчет времени живым организмом приобретает особую значимость. Конечно, масштаб измерений различен в зависимости от уровня организации живой материи. Если в эволюционном плане речь идет о миллионах лет, то в онтогенезе (индивидуальном развитии эволюционного организма) важны дни или годы, а для молекулярного уровня жизненных процессов основной мерой отсчета будут доли секунды.

По И. П. Павлову, отсчет времени свойствен каждому элементу нервной системы, и время, текущее вне нас, может стать условным раздражителем. Здесь особое внимание нужно обратить на развитие и угасание нервных процессов, протекающих с математической точностью и поэтому способных служить временны2ми ориентирами.

Считается, что восприятие времени обеспечивают конкретные участки правого полушария головного мозга. Причем «отслеживание» времени осуществляется сразу в нескольких вариантах и с помощью различных механизмов. Кроме того, мы способны отсчитывать различные интервалы времени. Например, вряд ли кто в обычной обстановке может принять минуту за 1 ч, а неделю – за месяц или год.

Чувство времени связано с биоритмологической организацией и исключительно важно для живых существ при взаимодействии с окружающей средой. Наверное, важнее, чем даже ориентация в пространстве. Впрочем, рассматривать раздельно время и пространство нельзя.

Простой пример. Если, столкнувшись с опасностью, мы можем в пространстве повернуть, скажем, отступить от края пропасти, то во времени этого сделать невозможно, ибо нельзя не сделать того, что уже сделано, например нельзя в одно и то же мгновение шагнуть в пропасть и выпрыгнуть из нее. Поэтому, чтобы не ошибиться в своих действиях во времени, в нашем организме и должны быть его счетчики – биологические часы.

В процессе эволюции должны были выработаться не только биологические часы, но и способность предсказания изменений внешней среды. В основе такой прогностической функции лежит чувство ритма. В самом деле, почему петухи заливаются «от» и «до», почему пчелы прилетают на цветущее поле точно к моменту раскрытия бутонов медоносных растений, почему, наконец, эти растения начинают раскрывать лепестки своих цветов и выделять одурманивающий запах четко в одно и то же время? Да потому, что ритмы живых существ согласованы с ритмикой природы.

Или почему мы стремимся обедать в одно и то же время? Потому что ритмически работает наш желудок, другие органы пищеварения, и к моменту приема пищи они «настраиваются» соответствующим образом: готовят желудочный сок, желчь, пищеварительные ферменты.

Ритмичность работы организма тесно связана с колебаниями энергетических процессов, причем это свойство присуще как растениям, так и животным. Отсюда и универсальность ритмики живого, ее прогностическая направленность. Однако отдельные особи в силу врожденных причин или случайных обстоятельств по-разному ощущают время и реагируют на его течение. Иначе говоря, существуют индивидуальные особенности восприятия временных периодов.

Биоритмы без секретов. Анатомия биоритма

Биологическим ритмом называют равномерное чередование во времени различных состояний организма, биологических процессов или явлений. Но не всякое повторяющееся явление может быть названо биоритмом. Биоритм – это самоподдерживающийся и в определенной мере автономный процесс. Скажем, листья мимозы складываются при прикосновении к ним руки человека. Биоритм ли это? Нет, поскольку такое движение не несет в себе ритмичности и вызвано внешней непериодической (случайной) причиной. Но такое же свертывание листьев чувствительного к свету растения на ночь и их раскрытие днем под действием внешнего эволюционно закрепленного фактора – солнечного света – уже биоритм, поскольку движение листьев может продолжаться некоторое время и без влияния света, в полной темноте.

Истинными биологическими ритмами являются только те колебания, которые обнаруживаются и при отсутствии периодических датчиков времени во внешней среде. Такие ритмы называют эндогенными (от греч. endon – внутри), так как они возникают под действием внутренних причин. Типичный их пример – ритмы дыхания человека (16 дыханий в минуту в среднем) и сердцебиения (70 ударов в минуту в среднем). Если системы обнаруживают периодический характер изменений только в связи с реакциями на циклически действующие раздражители внешней среды, то это ритмы экзогенные («экзо» – гр. снаружи, вне). Характерными их примерами служат многие суточные, многодневные, месячные и годовые циклы в биосфере. Так, процесс фотосинтеза начинается с восходом Солнца и останавливается с наступлением темноты.

Экзогенные ритмы не всегда можно отличить от эндогенных. Некоторые истинные ритмы в постоянных условиях внешней среды при отсутствии датчиков времени постепенно затухают. Напротив, ритмы, вызванные внешними причинами, и после устранения этих причин некоторое время продолжают существовать, подобно эндогенным ритмам.

По длительности периода биоритмы делят на несколько категорий. Названия ритмов образованы от латинских слов: «цирка» – около; «диес» – день; «ультра» – сверх, выше; «инфра» – ниже; «септем» – семь; «аннус» – год; «тригинти» – тридцать и т. д. Частица «цирка» означает, что данная классификационная группа включает в себя некоторый диапазон частот вблизи того или иного основного периода. Правильно говорить «циркади-анный ритм», но в биоритмологии чаще употребляется более короткий простой термин – «циркадный». Наиболее известны и изучены так называемые циркадные, или околосуточные, биологические ритмы с периодом в 24 ч. Ярко выражены у некоторых обитателей моря «приливные» ритмы продолжительностью в среднем 12,8 ч, «лунные» – с периодом 28 дней и «полулунные» – 14—15 дней. Есть еще «сезонные», или «окологодичные», ритмы, связанные с обращением нашей планеты вокруг Солнца, например летние, а также многолетние, обусловленные влиянием соответствующего цикла солнечной активности.

Ученые выделяют ритмы с подобными колебаниями в особую группу так называемых экологических ритмов, связанных с космическими (астрономическими) причинами. Если в растительном и животном мире ведущую, а часто и единственную роль играют такие синхронизаторы ритмов, как чередование освещения, температуры, часы кормления, и тому подобные, то для человека большое значение имеет трудовая деятельность, обладающая нередко собственной периодичностью. «Привязка» собственных циклов к экзогенным (синхронизация) характерна практически для всех ритмов. Синхронизаторами, или внешними датчиками времени для живых организмов, могут быть не только геофизические, но и биологические, в том числе физиологические процессы.

Например, ритмика гормональных изменений, обусловливающих овуляционный цикл, синхронизирует ритмы активности и настроения женщины. Значит, синхронизаторами биологических ритмов могут быть не только циклы внешней среды, но и внутренние факторы.

Замечено, что изоляция от внешних датчиков времени переносится с затруднениями. У большинства людей в условиях свободно текущего времени, а тем более в одиночестве возникает ряд отклонений физиологического и психологического состояния. Наступает так называемая десинхронизация, в частности, нарушается согласованность между ритмами вегетативных функций, чередование сна и бодрствования, двигательной активности и стремления к покою и др.

В специальных экспериментах у людей, надолго лишенных естественных датчиков времени, 24-часовой ритм перестраивается на свободно текущий. Быстрее всего на новый ритм переходят такие ритмические процессы, как сон, бодрствование, двигательная активность и поведение; заметно труднее перестраиваются функции вегетативной нервной системы: так, частота сердечных сокращений и дыхания, температура тела, работа почек и обмен веществ в большинстве случаев остаются стабильными даже при длительной изоляции от датчиков времени.