Путеводитель зоолога по Галактике. Что земные животные могут рассказать об инопланетянах – и о нас самих

Зачем животные двигаются?

Разумеется, животные двигаются, чтобы добыть еду и чтобы самим не стать едой. Но в целом можно выделить три основных мотива движения – ресурсы, которые всюду ограниченны, а именно: энергия, пространство и время.

Первые формы жизни на Земле, сохранившиеся в ископаемом состоянии, обычно считаются неподвижными. Эти древние окаменелости возрастом не менее 3 млрд лет настолько похожи на современные структуры, именуемые строматолитами, что их образование обычно объясняют деятельностью тех же существ – примитивных бактерий, которые получают энергию от солнца и растут в виде матов, поднимающихся из воды по мере того, как новые слои бактерий разрастаются поверх предыдущих. Такие бактерии не «двигаются» в смысле, привычном для животных, но колония в целом растет вверх, поскольку осаждение со временем песка и мертвой органики перекрывает им доступ к солнцу – их источнику энергии. Поэтому даже древним бактериям для добычи энергии требовалось движение – так дерево растет вверх, чтобы его не затеняли конкуренты.

Чужие миры могут располагать источниками энергии, незнакомыми или по крайней мере нетипичными для Земли. Океаны, расположенные под поверхностью, как на Энцеладе, спутнике Сатурна, не получают солнечного света, но энергии там предостаточно. Частично ее обеспечивает нагрев от радиоактивного распада элементов в ядре планеты, но часть энергии дает приливное трение – мощная сила гравитации Сатурна то притягивает, то отпускает фрагменты скалистого ядра и залегающую под ледяной поверхностью воду. Эти миры вполне могут быть обитаемы, и если это так, то обитающим там живым существам придется изобретать способ отыскивать и использовать эти непривычные для нас источники энергии.

Жизнь нуждается в энергии, и, если энергия распределена неравномерно, организму приходится отправиться на ее поиски. Конечно, солнечный свет, как правило, доступен на Земле всюду, поэтому фотосинтезирующим организмам для получения энергии незачем двигаться – разве только расти вверх. Однако, когда все живое конкурирует за единственный источник энергии (Солнце), эволюция начинает интересоваться альтернативными стратегиями. Организму, который дожидается, пока бактерия соберет солнечную энергию, а затем пожирает бактерию, незачем конкурировать за солнечный свет; что-то подобное произошло на Земле, по-видимому, еще на заре жизни. Подобной эксплуатации одних организмов другими следует ожидать на любой планете, где есть жизнь.

Какой именно организм первым начал поедать бактериальные маты, неясно. Конечно, точно известно, что на ископаемых бактериальных матах имеются древние отпечатки извилистых следов, которые предположительно указывают на то, что кто-то прогрызал себе путь в их поверхности. Многие годы считалось, что эти странные следы оставили древние животные, которые ползали по живому ковру, поедая по пути бактерии. Возможно, так и было, но само животное в ископаемом состоянии так и не нашли, поэтому ученые предполагали, что это еще одно таинственное мягкотелое существо эдиакарской биоты, не имевшее минерального скелета или раковины, которые могли бы сохраниться в палеонтологической летописи. Предполагали даже, что это какой-нибудь древний предок современных животных, например улиток. Но недавно ученые обнаружили необычайно похожие следы на песчаном дне Карибского моря у Багамских островов. Когда они двинулись по следам, их ожидало удивительное открытие: эти отпечатки оставляла гигантская одноклеточная амеба размером с крупную виноградину. Неважно, походили ли на нее древние организмы, поедавшие бактериальные маты, – сам факт стал важным напоминанием о том, что для умения двигаться не обязательно быть животным (в современном понимании этого термина) и что это умение восходит к древнейшим и простейшим одноклеточным организмам.

Здесь в игру вступает элементарная геометрия. Как только кто-то начинает употреблять в пищу неподвижный ресурс, он вынужден научиться двигаться. Если такой организм выедает пищу быстрее, чем она растет, ему нужно передвигаться на новое место, чтобы найти новую еду, иначе он погибнет. Если же пища вырастает быстрее, едок будет столь успешен и оставит так много потомства, что рано или поздно (и это непременно случится) ресурсы пищи, не выдержав соревнования со все увеличивающимся количеством детей, внуков и правнуков, все равно истощатся. И кому-то придется пуститься в путь на поиски своего счастья. Простой и жестокий закон эволюции состоит в том, что количество энергии ограниченно, а дефицит энергии толкает организмы на то, чтобы изобрести способы добыть новую энергию. Движение обязательно должно возникнуть. Инопланетные существа просто обязаны научиться передвигаться.

Если вы все еще не убеждены в неизбежности движения, давайте рассмотрим другой ресурс, ограниченный во всей Вселенной, – пространство. С размножением организмов появляются новые особи, и эти особи материальны – они занимают определенное пространство. Даже растения в некотором смысле «передвигаются», распространяя семена и захватывая новые места для своих потомков. Если бы никто не двигался, новым особям просто не нашлось бы места, и эволюция на этом прекратилась бы. Жизнь могла бы просуществовать довольно долго, если бы организмы были неизменными и бессмертными, но у таких организмов никогда бы не развились новые признаки, способности или свойства.

Итак, где бы организмы ни обитали, им нужно передвигаться в поисках пространства и энергии. Но именно этот фактор порождает многообразие способов передвижения на Земле и обязательно должен проявляться на других планетах. Пространство от вас никуда не убежит. А вот энергия может. Мы уже убедились, что животные эдиакарского периода, по-видимому, вели более или менее мирное сосуществование и хищничество у них было развито недостаточно для того, чтобы эволюция породила какие-либо виды защитной брони вроде панцирей или шипов. Среди ученых нет согласия в том, могла ли подобная ситуация длиться вечно. Возможно, понадобился какой-то триггер окружающей среды – изменение температуры океанов или уровня кислорода, – вызвавший у одного животного соблазн откусить кусочек от другого.

Возможно, для того, чтобы в ходе эволюции появились сложные животные, которые плавают, кусаются, жалят и прячутся, необходимо очень специфическое стечение обстоятельств^[48]. Однако альтернативная гипотеза гласит, что подобный ход развития неизбежен при условии, что времени будет достаточно – возможно, его понадобится очень много, но в конце концов обязательно должны возникнуть охотники и дичь^[49]. В пользу этой гипотезы говорит то, что идиллический эдиакарский сад представляется нестабильным – как монета, поставленная на ребро. Да, он мог бы существовать вечно, но в реальности достаточно совсем незначительных пертурбаций, чтобы он разрушился – и не смог восстановиться. В эволюционном смысле выбор очевиден: если кто-то к вам подбирается, вас могут съесть, и возможность убежать становится крайне полезной.

Эволюционное стремление добычи спастись от хищников, а хищника – поймать добычу завязаны в порочный круг, часто именуемый эволюционной гонкой. Если антилопа быстрее гепарда, она выживет, чего нельзя сказать о гепарде. Поэтому хищники должны ускоряться сами, тогда антилопы, в свою очередь, оказываются под мощным давлением отбора на скорость, и т. д. Где же предел? Может ли существовать планета, на которой хищники и их добыча бегают со сверхзвуковой скоростью? Возможно ли, что предела нет, и животные будут ускоряться, пока не достигнут скорости света? Разумеется, это невозможно.

Одно из самых фундаментальных правил естественного отбора – будь то на Земле или в любом другом месте Вселенной – необходимость сохранения баланса между выгодами и издержками. Усовершенствование способностей в одной области неизменно сокращает возможности в другой. На элементарном уровне запас энергии ограничен, и эту энергию можно использовать либо для того, чтобы быстрее разгоняться, либо на производство потомства. Нетрудно представить, что в мире, где гепарды и антилопы расходуют всю энергию на быстрый бег, особь, которая бегает чуть медленнее, но оставляет больше потомства, получит преимущество. В конечном итоге в игру рано или поздно вступят другие ограничения и нивелируют преимущества чересчур развитых признаков. Если такие признаки все же обнаруживаются, то лишь потому, что баланс выгод и издержек очень сильно смещен в одну сторону, например, в случае, если затраты животного на такой феноменальный разгон невероятно малы или угроза от хищников невероятно велика.

Мысленный эксперимент на тему возможности появления сверхзвуковых антилоп на другой планете служит иллюстрацией к другому важному принципу естественного отбора: на каждой ступени эволюционного пути должны накапливаться осязаемые выгоды. Достичь сверхзвуковых скоростей – особенно непростая задача, потому что при приближении к звуковому барьеру в любой среде, в которой вы передвигаетесь (на Земле это обычно воздух или вода), возникает ударная волна, которая рассеивает большую часть энергии, используемой животным. Поэтому еще до того, как вы достигнете сверхзвуковой скорости, ваше движение становится крайне неэффективным – большая часть усилий уйдет в ударные волны, а не в ускорение. Конечно, человеческие инженеры это рассчитали и догадались, что стоит только перейти звуковой барьер, как затраты оправдают себя; именно это и сделал в 1947 г. Чак Йегер на самолете Bell X-1 с ракетным двигателем. Но естественный отбор не знает «что будет, если», он не обладает предвидением. Если животному невыгодно мчаться со скоростью, близкой к скорости звука, оно никогда не сможет двигаться быстрее звука.

На Земле скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с – это более чем десятикратно превышает предельную скорость гепарда и даже втрое больше скорости, с которой падает камнем сокол-сапсан, самое быстрое животное на планете. Но двигаться в воздухе гораздо легче, чем в воде. Скорость рыбы-парусника – 30 м/с – сопоставима со скоростью гепарда, но скорость звука в воде 1500 м/с, так что на нашей планете морские животные еще дальше от сверхзвуковых скоростей. Чем плотнее жидкость или газ, тем больше сопротивление среды и тем меньше вероятность, что животное когда-либо разовьет сверхзвуковую скорость. Даже на других планетах, где жизнь может существовать в иных жидких средах (например, метане), шансы на появление сверхзвукового существа, по-видимому, ничтожны. Единственный известный способ двигаться быстрее звука – за счет реактивной тяги в газообразной среде – мог бы быть и единственным возможным эволюционным путем для животных. Но их эволюция и в этом случае была бы ограничена необходимостью получать реальный прирост пользы на каждом этапе, при каждом приращении скорости. Иначе такая способность появиться не может.

Что значит быть подвижным животным

Дабы убедиться в том, что мы составили полный список всех возможных способов передвижения животных на других планетах, нам нужен строго системный подход. Чтобы понять, как возникли приспособления, позволяющие преодолевать конкретные трудности, можно использовать земные примеры. Что касается способов передвижения, наблюдаемых на Земле, – а к ним, вполне вероятно, сводится большинство возможных вариантов, – можно рассмотреть, как эти способы возникли в ходе эволюции, какие факторы окружающей среды сделали их полезными для тех или иных животных и почему их эволюция не пошла дальше. Это позволит нам составить хорошее представление о возможных способах передвижения на других планетах и о том, в силу каких условий одни из них получают преимущество над другими. К счастью, факторы, ограничивающие эти способы, весьма просты и привязаны к законам физики, которые, разумеется, одинаковы на всех планетах.

Исаак Ньютон заявил, что ускорения не бывает без силы, и этот элементарный факт лежит в основе всего движения животных. Если вы не приложите силу, вы не сможете прийти в движение. Это очевидно, когда вы наблюдаете, как утка на замерзшем пруду отчаянно загребает по льду лапами, не в состоянии двинуться с места, но уже не столь очевидно, когда утка расправляет крылья и взлетает, как будто не задумываясь о том, к чему именно она прикладывает силу. В действительности контраст между движением по твердой поверхности и движением в неплотной среде наподобие воды или воздуха – ключ к нашей классификации гипотетических способов передвижения.

Начнем с некоторых определений и базовых разграничений. Пространство либо заполнено чем-то, либо нет. Оставим пока вопрос о движении в вакууме и подумаем, чем может быть заполнено пространство, в котором нужно передвигаться. Может понадобиться пройти сквозь твердую среду, если вы крот или дождевой червь, – к этому мы вернемся позже, поскольку вопрос, действительно ли кроты и дождевые черви передвигаются в «твердой» среде, не столь однозначен, как кажется. Но если вещество, заполняющее пространство, не твердое, то оно может быть только текучим. Движение, как правило, происходит в текучих средах, и понятно почему (в них двигаться легче, чем в твердых). Термин «текучий» относится ко всему, что течет, – то есть среда обтекает вас, когда вы движетесь сквозь нее, и это существенно упрощает движение. Как жидкости, так и газы текучи, пусть в быту мы и применяем это слово только к жидкостям, а не к газам. Но газы, безусловно, обтекают движущееся тело, и для обсуждаемой нами проблемы это имеет важное значение.

Между жидкостью и газом существуют два основных отличия. Во-первых, жидкости обычно (хотя и не всегда) более вязкие и плотные, чем газы. Они больше сопротивляются движению, что может быть как неблагоприятным (замедляет движение), так и полезным фактором, поскольку жидкость обеспечивает опору, от которой можно оттолкнуться. Задумайтесь, как просто плавать в воде и насколько сложнее сдвинуться с места, просто размахивая руками в воздухе! Второе различие состоит в том, что газы расширяются, стремясь заполнить полость, в которой они находятся, а жидкости скапливаются на дне. Из этого правила есть исключения, но сам принцип важен – он подразумевает, что у жидкости чаще всего имеется поверхность, и граница между поверхностью океана и воздухом над ней, как мы теперь знаем, сыграла чрезвычайно важную роль в эволюции жизни на Земле.

Если вы животное, обитающее в текучей среде наподобие водной, у вас есть три возможности: всплывать, тонуть или обладать как раз такой степенью плавучести, чтобы оставаться на месте, не всплывая и не опускаясь на дно. Если ваша плотность выше плотности воды, то вы скорее всего утонете, и, если ничего не предпринимать, в конце концов опуститесь на дно. В таком случае ваша задача – передвигаться на границе твердой и текучей среды, как поступают крабы, морские звезды и все остальные донные организмы. То же относится к животным окружающего нас мира – собакам, кошкам, людям. Все они передвигаются на границе твердой среды (почвы) и текучей (воздуха). Разумеется, мы исходим из того, что основная сила на планете – гравитация. Есть веские основания полагать, что это так: прежде всего, гравитация – единственная фундаментальная сила, которая успешно работает на средних расстояниях. Можно допустить, что на маленькой планете (у которой, соответственно, небольшая сила притяжения) с мощным магнитным полем, населенной множеством форм жизни, биохимия которых основана на железе, объекты могут притягиваться практически в любом направлении. На такой планете «вниз» не обязательно означает «к центру планеты», как на Земле, где мы привязаны к поверхности. Вместо этого магнитное поле в одних точках планеты будет тянуть животных вверх, в других вбок – там не будет понятий верха и низа в абсолютном смысле! Однако сила магнитного поля, которая понадобится, чтобы удержать наши гипотетические формы жизни на поверхности, будет настолько велика, что разорвет любые сложные молекулы, стоит им образоваться. Поэтому, хотя следует учитывать и причудливые варианты, нам все же лучше ограничиться рассмотрением планет, где основная сила – гравитация.

Некоторых животных тянет вниз, но они сопротивляются этому. Самый очевидный пример – птицы. В полете они движутся сквозь текучую среду, удерживаясь в воздухе, но это для них не естественное состояние – если они перестанут сопротивляться, они упадут. Многие морские животные сталкиваются с той же проблемой, хотя, если они перестанут держаться на плаву, для них это не так опасно, как для птиц, поскольку плотность их тела гораздо ближе к плотности воды, а вода более вязкая, чем воздух. Осьминоги, например, обычно ходят по морскому дну с помощью «ног», но в случае необходимости умеют также использовать реактивную струю для быстрого плавания под водой, не касаясь дна.

Отметим, что большинство видов, способных преодолеть силу притяжения планеты, пользуются этой способностью лишь время от времени – по-видимому, это куда более энергозатратно, чем покориться законам физики и двигаться по нижней границе своей среды. Любому, кто наблюдал, как неторопливо кормятся в поле воро́ны, известно, насколько неохотно они взлетают. Но это характерно не для всех животных. Некоторые (в основном микроскопические) существа проводят всю жизнь, стремясь удержаться на плаву. Они используют крошечные реснички вокруг своего тела как множество весел, постоянно размахивая и загребая ими в борьбе с неумолимой силой гравитации. Благодаря их малому размеру энергозатраты не так велики и явно окупаются преимуществами жизни в толще воды, а не в придонном иле. На планетах меньшего размера с меньшей гравитацией животные, плавающие в толще воды, могут быть более крупными и многочисленными.

У других животных плотность тела меньше плотности текучей среды обитания, поэтому они держатся на плаву. На Земле это преимущественно водные животные, дышащие воздухом, например тюлени, которым выгодно затрачивать меньше энергии при всплывании, чем при нырянии. Для них мир перевернут. Как птицы в воздухе, они, перестав махать ластами, «упадут» вверх к поверхности воды. Их движения сходны с движениями птиц, стремящихся удержаться в воздухе, только тюлени стремятся удержаться не наверху, а внизу.

Для животных, не дышащих воздухом, всплывать подобным образом так же нежелательно, как для птиц падать с неба. Однако некоторые все же всплывают. Как ни странно, шестижаберная акула, похоже, обладает положительной плавучестью, и предполагается, что она использует свою способность бесшумно всплывать, чтобы атаковать добычу снизу. Среди животных, не дышащих воздухом, есть, однако, и такие, которые приспособились плавать на поверхности, потому что им выгодно обитать на границе между водой и воздухом, и здесь самый известный пример – португальский кораблик. Это медузоподобное существо использует пузырь, наполненный газом, чтобы держаться на поверхности, где оно кормится мальками рыб и планктоном в местах их скопления. Но кораблик умеет только дрейфовать. Он прикован к границе между средами, как, например, слон, но, в отличие от слона, он неспособен целенаправленно передвигаться по этой границе.

Многие морские создания, в первую очередь рыбы, обладают нейтральной плавучестью – они стремятся достичь той же плотности тела, что и окружающая их жидкая среда, чтобы не всплывать и вместе с тем не тонуть. Обычно они управляют своей плавучестью с помощью особых тканей, насыщенных жиром, которые легче окружающей жидкости, или специализированных органов, наполненных газом, которые компенсируют вес более тяжелых частей тела. Эти животные обладают самой большой свободой передвижения. Они могут двигаться вперед и назад, и единственным ограничением служит трение и сопротивление текучей среды, сквозь которую они плывут. Но у них есть и куда более удивительная способность: во время движения, когда окружающая вода обтекает их тело, они могут перенаправлять этот поток, например, с помощью плавников, и двигаться вверх, вниз, в стороны. Таким образом, поступательное движение в текучей среде открывает возможности двигаться в любом направлении, в том числе поворачиваться. Это плавное динамическое движение необычайно эффективно, что объясняет акробатические трюки летучих мышей и мурмурации (причудливые «воздушные танцы») огромных стай скворцов, которые используют воздушные потоки, а не водные – равно как и всех рыб от анчоусов до данио, а также дельфинов, чьи способности к водным маневрам вызывают головокружение у человека-наблюдателя.

Как только животное с нейтральной плавучестью начинает двигаться в текучей среде, оно становится крайне восприимчиво к мельчайшим изменениям направления потока, и его движение становится неустойчивым. Эволюция в этом случае должна выработать какие-то средства стабилизации, например плавники. Их, в свою очередь, несложно приспособить для того, чтобы перенаправлять этот поток текучей среды и обеспечивать маневренность. Трудно вообразить, что только на Земле животные обнаружили колоссальные преимущества динамического движения в текучей среде, так что иные планеты, наверное, кишат – ну, пусть не рыбой, но какими-то животными с похожим способом передвижения.