Рассказ Утконоса
Рассказ Утконоса
Старое латинское название утконоса – Ornithorhynchus paradoxus [“парадоксальный птицеклюв”]. Когда его обнаружили, он показался ученым настолько нелепым, что присланный в музей экземпляр сочли чучелом из сшитых вместе частей тела млекопитающего и птицы. Кое-кто решил, что у Бога, когда он сотворил утконоса, выдался паршивый день. Господь, видимо, нашел на полу мастерской лишние детали и решил их не выбрасывать, а слепить какое-нибудь животное. Есть и такие ученые (и эти уже не шутят), которые называют однопроходных “примитивными”: как будто быть примитивными – основное занятие этих существ. (В “Рассказе Утконоса” мы поставим под сомнение эту точку зрения.)
После сопредка № 15 утконос располагал ровно таким же количеством времени на развитие, что и остальные млекопитающие. Так зачем считать одну группу “примитивнее” другой (примитивный, напомню, означает “похожий на предка”)? Конечно, в некоторых отношениях однопроходные примитивнее нас – это касается, например, откладывания яиц. Но нет оснований полагать, что примитивность в одном отношении обусловливает примитивность во всех.
Нет “духа древности”, который проникал бы в кровь и впитывался в кости. Примитивная кость – это кость, мало изменившаяся за долгое время. Не существует правила, согласно которому соседняя кость тоже обязана быть примитивной. По крайней мере, сегодня на этот счет нет данных. И лучшая иллюстрация тому – нос самого утконоса: он менялся очень сильно, а другие части тела этого животного – слабо.
Клюв утконоса кажется смешным. Мало того, что он похож на утиный – он еще и непропорционально велик. Но смеяться над этим удивительным приспособлением не стоит. Если говорить о странных конструкциях, утки тут ни при чем. Более подходящая аналогия – нос старого самолета-разведчика “Нимрод”. Американский эквивалент – система дальнего радиолокационного обнаружения и управления (AWACS) – знаком нам лучше, однако в этом случае “трансплантат” сверху фюзеляжа, а не спереди.
Клюв утконоса – это не просто пара челюстей для еды и питья. Конечно, он годится и для этого (хотя, в отличие от утиного клюва, он не роговой, а эластичный). Клюв – это разведывательное устройство. Утконосы охотятся на ракообразных, личинок насекомых и других мелких животных в тине на дне ручьев. От глаз в мутной воде мало проку, и утконосы во время охоты зажмуриваются. Более того, они закрывают ноздри и уши. Они не видят добычу, не слышат ее, не чувствуют запаха добычи – и тем не менее съедают в день корм весом в половину своего собственного.
Как бы вы поступили, если бы пришлось проводить эксперименты с человеком, утверждающим, что он обладает “шестым чувством”? Завязали бы ему глаза, закрыли уши, ноздри и предъявили задание на сенсорное восприятие. Утконосы приложили все усилия, чтобы помочь провести подобный эксперимент. Они отключили три наиболее важных для нас (и, возможно, для них тоже – на суше) чувства и сконцентрировались на чем-то ином. Ключ к разгадке – в одной из особенностей их охотничьего поведения. Во время плавания утконосы поворачивают клюв из стороны в сторону, осуществляя так называемые саккадические движения. Очень похоже на рефлектор радиолокационной антенны.
Карта человеческого мозга. Penfield and Rasmussen [222].
Одно из первых научных описаний утконоса принадлежит сэру Эверарду Гому (Хому). Оно опубликовано в “Философских трудах Королевского ощества” за 1802 год. Гом, словно глядя в будущее, заметил, что ветвь тройничного нерва, иннервирующая лицо,
необычно велика. Это обстоятельство наводит на мысль о том, что чувствительность различных участков клюва очень велика, что он выполняет функции руки и способен тонко улавливать эти ощущения.
Но сэр Эверард Гом не знал главного. Великий канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд опубликовал карту человеческого мозга, на которой отображено представительство в нем различных частей тела. Здесь вы видите карту участка мозга, который обеспечивает управление мышцами в различных частях тела. Подобную карту Пенфилд составил для участков мозга, отвечающих за осязание. Самое замечательное в обеих картах – огромные руки. Очень крупным выглядит и лицо, особенно его участки, управляющие челюстями.
Но при взгляде на гомункула Пенфилда мы в первую очередь обращаем внимание на руку. Ниже схема представлена в ином виде.
Части тела гротескного человечка пропорциональны их представительству в мозге.
К чему я веду? “Рассказ Утконоса” не был бы написан, если бы не работа австралийского нейробиолога Джека Петтигрю и его коллег, например Пола Мэнгера. Один из их интереснейших экспериментов – это модель “утконункула”, аналог гомункула Пенфилда. Утконункул выполнен гораздо тщательнее гомункула, реконструированного на основе очень скудных данных. Утконункул – результат обстоятельной работы. В верхней части мозга – три маленьких карты: это представительства сенсорной информации, получаемых различными областями мозга. Для животного важна упорядоченность пространственного соответствия между частью тела и участком мозга.
Обратите внимание: размер лап, окрашенных на всех трех картах в черный цвет, примерно соответствует их реальному размеру, в отличие от Пенфилдова гомункула с его непропорционально большими руками. У утконункула непропорционально велики не лапы, а клюв. Клюв на схемах представлен обширными областями. Если в человеческом мозге больше всего места занимают руки, то в мозге утконоса – клюв. Похоже, сэр Эверард Гом высказал верное предположение. Но, как мы сейчас увидим, кое в чем клюв даже лучше рук: он может “ощупывать” предметы, не прикасаясь к ним. Делает он это с помощью электричества.
Когда животное, например пресноводный рачок (обычная пища утконоса), задействует мышцы, его тело неизбежно генерирует слабое электрическое поле. При наличии чувствительной аппаратуры эти поля можно обнаружить, особенно в воде. А при наличии вычислительной мощности для обработки сигналов от множества датчиков можно найти и источник. Утконос, конечно, делает это не так, как сделал бы математик или компьютер. Но все же некий участок его мозга выполняет необходимые вычисления, так что утконосу в результате добыча обеспечена.
Электросенсорный мир утконоса. Manger and Pettigrew [181].
По обеим поверхностям клюва утконоса расположено около 40 тыс. электрических датчиков, и значительная часть мозга занимается обработкой данных этих сенсоров. Однако кроме этих электрических датчиков, у утконоса около 60 тыс. механических сенсоров. Эти рецепторы давления (push rods) распределены по поверхности клюва. Петтигрю и его коллеги обнаружили в мозге утконоса нейроны, принимающие сигналы от этих сенсоров. Кроме того, они нашли клетки мозга, отвечающие одновременно на электрические и механические сигналы (клеток, которые бы принимали лишь электрические сигналы, пока не обнаружено). Сенсорные клетки обоих видов занимают определенное положение на пространственной карте клюва. Они накладываются друг на друга и образуют аналог зрительной коры мозга человека, слоистость в которой обеспечивает бинокулярное зрение. Петтигрю предполагает, что утконос комбинирует информацию от электрических и механических сенсоров примерно так же, как наш мозг сочетает данные от двух глаз для построения стереоскопической картинки. Как это происходит?
Петтигрю и его коллеги предложили аналогию с громом и молнией. Вспышка молнии и звук грома возникают одновременно. Однако вспышку мы видим сразу, а гром слышим немного погодя, потому что звук перемещается относительно медленно (и, кстати, звук грома становится раскатистым из-за эха). Проследив, сколько времени проходит между вспышкой молнии и раскатом грома, можно вычислить, насколько далеко ударила молния. Возможно, для утконоса электрические разряды, исходящие от мышц жертвы, – аналог молнии, а волны возмущений в воде, вызванные движениями жертвы, – аналог грома. Тогда мозгу утконоса остается оценить временнои интервал между двумя этими явлениями и вычислить расстояние до жертвы. Что ж, звучит правдоподобно.
Что касается точного местонахождения добычи, его можно отыскать, сравнив сигналы от разных рецепторов. Предположительно этому помогают движения клюва из стороны в сторону – по аналогии с рефлектором радиолокационной антенны. Имея огромное количество датчиков, которые проецируются на мозг, утконос, вероятно, способен составить детальную трехмерную картину электрических возмущений вблизи себя.
Петтигрю с коллегами составил карту, на которую нанесены изолинии электрочувствительности клюва утконоса. Забудьте об утках: лучше вспомните “Нимрод”. Представьте себе огромную руку, ощупывающую предметы, не прикасаясь к ним, или вообразите вспышки молний и раскаты грома в австралийской тине.
Утконос – не единственное животное, обладающее электрической чувствительностью. То же самое умеют многие рыбы, включая веслоноса (Polyodon spathula). Формально костистая рыба, веслонос – как и его родственники, осетровые рыбы, – вторично приобрел хрящевой скелет, как у акул. Однако, в отличие от акул, веслоносы живут в пресной воде, часто в мутных реках, где от глаз мало пользы. “Весло” напоминает верхнюю челюсть клюва утконоса (хотя это не челюсть, а вырост черепа). Это “весло” может быть чрезвычайно длинным – до трети длины тела. Оно напоминает мне нос “Нимрода” даже сильнее, чем клюв утконоса.
Очень заметное “весло” явно играет важную роль в жизни рыбы. И действительно, оно выполняет ту же функцию, что и клюв утконоса, то есть улавливает электрические поля, исходящие от добычи. Как у утконоса, электрические сенсоры веслоноса находятся в порах, расположенных линиями вдоль “весла”. Однако возникли эти системы независимо. Электрические поры утконоса – это модифицированные слизистые железы. У веслоноса электрические поры очень похожи на поры, которыми пользуется акула. У нее эти поры называются ампулами Лоренцини, так что поры веслоноса назвали так же. Но если у утконоса чувствительные поры расположены примерно в дюжине узких линий вдоль клюва, у веслоноса две широкие линии по обеим сторонам от срединной линии “весла”. Пор у веслоноса даже больше, чем у утконоса. И оба животных гораздо чувствительнее к электричеству, чем любой из их сенсоров в отдельности. Видимо, они производят нечто вроде сложного суммирования сигналов, поступающих от сенсоров.
У молодых веслоносов электрическое восприятие играет более важную роль, чем у взрослых. Взрослых особей, которые по каким-то причинам теряли “весло”, находили после этого живыми и вполне здоровыми. А молодых рыб, которые выжили бы без “весла”, никто не видел. Возможно, молодые веслоносы, как и взрослые утконосы, выслеживают каждую жертву индивидуально. А взрослые веслоносы питаются скорее как планктоноядные усатые киты, выцеживая пищу из тины. На такой диете они вырастают очень крупными. Конечно, не такими крупными, как киты, но все же веслоносы достигают размеров человека, превышая по массе и длине тела большинство пресноводных животных. Судя по всему, для выцеживания планктона взрослым не особенно нужен локатор, который необходим молодым рыбам, преследующим жертву индивидуально.
Таким образом, утконос и веслонос независимо пришли к одному решению (см. вкладку). Есть ли еще какие-то животные, которые придумали то же самое? Мой ассистент Сэм Терви, собирая в Китае материал для своей диссертации, столкнулся с крайне необычным трилобитом Reedocalymene. В остальном заурядное животное (похожее на Calymene, “жука из Дадли”, изображенного на гербе этого города) имеет уникальную особенность: громадный уплощенный рострум, похожий на клюв веслоноса, выдающийся вперед на длину тела. Этот рострум явно был нужен не для придания телу обтекаемой формы, поскольку этот трилобит, в отличие от многих других, не умел плавать над морским дном. Защитная его функция также маловероятна. Как и “весло” веслоноса, рыло осетра и клюв утконоса, рострум трилобита усеян образованиями, которые очень похожи на рецепторы и, видимо, используются для поиска добычи. Сэм Терви знает, что среди современных членистоногих ни у кого еще не обнаружена электрическая чувствительность (это само по себе интересно, учитывая огромное разнообразие членистоногих). Но он уверен, что Reedocalymene – это очередной “веслонос” или “утконос”. И надеется вскоре начать с ним работать.
Другие рыбы, хотя у них нет “антенны”, обладают еще более сложным электрическим чувством. Им мало принимать электрические сигналы, исходящие от добычи: эти рыбы сами генерируют электрические поля. Они ориентируются в пространстве и выслеживают добычу, считывая искажения своего электрического поля. Этой способностью обладают различные хрящевые скаты и две группы костистых рыб: южноамериканское семейство гимнотиды и африканское семейство мормириды.
Как эти рыбы генерируют электричество? Точно так же, как рачки, личинки насекомых и другие жертвы утконосов: с помощью мускулатуры. Но если рачки генерируют немного электричества, то электрические рыбы объединяют мышцы в блоки, которые работают как электрические батареи[54]. У гимнотидных и мормиридных рыб “батареи” из мускульных блоков расположены вдоль хвоста. Каждый блок генерирует слабый ток. Объединяясь, они генерируют сильный сигнал. Электрический угорь (не настоящий угорь, а южноамериканская пресноводная гимнотида) усовершенствовал это изобретение. У него очень длинный хвост, в который упаковано гораздо больше “батарей”, чем поместится в обычный хвост. Рыба оглушает добычу током, который нередко превышает 600 вольт и может быть смертелен для человека. Другие пресноводные рыбы, например африканский электрический сом Malapterurus и морской электрический скат Torpedo, также могут генерировать ток, достаточный для того, чтобы убить или хотя бы оглушить жертву.
Так радар превратился в смертельное оружие. Слабоэлектрические рыбы, например южноамериканский гимнотус (Gymnotus) и неродственный ему африканский гимнарх (Gymnarchus), обладают такими же электрическими органами, как электрические угри. Но эти органы у них меньше по размеру, и мускульные батареи состоят из небольшого количества модифицированных мышечных пластин. Слабоэлектрические рыбы обычно генерируют ток с напряжением меньше одного вольта. Рыба удерживает свое тело в воде неподвижно, и электрический ток течет по искривленным линиям, которые привели бы в восторг Фарадея. По бокам тела рыбы располагаются поры, содержащие электрические сенсоры – крошечные вольтметры. Препятствия, которые встречаются на пути тока, искажают поле, и изменения считываются вольтметрами. Сравнивая показания вольтметров и сопоставляя их корреляции с колебаниями поля (синусоидальными у одних видов и импульсными у других), рыбы определяют положение препятствия или добычи. Кроме того, электрические органы и сенсоры используются для коммуникации.
Южноамериканские электрические рыбы, например гимнотус, очень похожи на своих африканских коллег – гимнархов. Но есть существенное отличие. И те, и другие имеют длинный плавник, проходящий по всему телу, и используется он с одной и той же целью. Эти рыбы не могут позволить себе изгибать тело волнообразными движениями, как обычные рыбы: это расстроит их поле. Электрическим рыбам приходится держать тело неподвижно, поэтому плавают они с помощью движений продольного плавника. Он волнообразно изгибается, выполняя функцию тела обычной рыбы. Плавают электрические рыбы медленно – но, судя по всему, выгода от получения четкого сигнала того стоит. Интересно, что у гимнарха продольный плавник расположен на спине, а у гимнотуса и других южноамериканских электрических рыб – на брюхе. Это именно тот случай, когда исключение подтверждает правило.
Вернемся к утконосу. Приятное впечатление, которое произвело на нас это славное животное, омрачается когтями на задних лапах самцов утконоса. У многих групп беспозвоночных есть ядовитые иглы для подкожных “инъекций”. Среди позвоночных такие иглы обнаружены у рыб и рептилий. У птиц и млекопитающих таких приспособлений нет. Исключение составляет утконос (если не принимать во внимание токсичную слюну некоторых землероек, делающую их укусы слегка ядовитыми). Среди млекопитающих самцы утконосов составляют особую категорию – и среди ядовитых животных тоже.
Тот факт, что ядовитое жало обнаружено лишь у самцов, позволяет предположить, что это оружие направлено не против хищников (как у пчел) или добычи (как у змей), а против конкурентов своего же вида. Укол утконоса не опасен, но очень болезнен, причем морфин в этом случае бесполезен. Похоже, яд утконоса воздействует непосредственно на болевые рецепторы. Если бы ученые узнали, как он действует, они, возможно, научились бы подавлять боль, вызываемую злокачественными опухолями.
Этот рассказ я начал с упрека тем зоологам, которые называют утконоса примитивным – как будто это что-то объясняет. Примитивный означает “похожий на предка”, и во многих отношениях такое описание утконоса справедливо. Клюв и жало – любопытные исключения. Но мораль в том, что самое примитивное животное примитивно по некоторой причине. Предковые признаки зачем-то нужны ему, и он не собирается от них отказываться. Профессор Артур Кейн из Ливерпульского университета говорил: животное таково, каково оно есть, потому что ему нужно быть таким.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.