Летающие жирафы, мамонты-блондины, карликовые коровы... От палеонтологических реконструкций к предсказаниям будущего Земли
Шрифт:
Предположение о наличии у черепах магнитного чутья, позволяющего распознавать свойства магнитного поля Земли, пятьдесят лет назад звучало довольно смело. Как и с помощью чего могут животные определять то, что под силу лишь сверхчувствительным и высокоточным приборам? Но в 80-х годах прошлого века впервые были обнаружены магниточувствительные бактерии.
Кристаллы магнетита, выращенного бактериями, не превышают в поперечнике 0,04–0,12 микрона, но не только для того, чтобы разместиться в ее клетке размером от одного до трех микронов. В кристаллах такой размерности намагниченность однородна и направлена везде одинаково и благодаря удлиненной форме они приобретают свойства ориентированных магнитных стрелок. Цепочки из кристалликов, окруженные собственной оболочкой, — магнитосомы — обладают достаточно большим магнитным моментом и образуют орган магнитной чувствительности, с помощью которого бактерия ориентируется в магнитном поле. Проживая на дне лагуны, она очень не любит, когда кто-нибудь большой и настырный ворошит ил, всплывающий облаком мути. Вращаясь в этом облаке, бактерия не знает, где спасительное дно с пониженным содержанием кислорода, а где — жутко опасное для нее открытое пространство, наполненное этим ядовитым газом. Но поскольку силовые линии магнитного поля проходят по касательной к поверхности Земли (и соответственно водоема), перемещаясь вдоль них с помощью магниточувствительного органа, бактерия живо уходит на дно. Не случайно такие бактерии, обитающие в Северном полушарии, всегда плывут на Север, и наоборот.
После обнаружения магниточувствительных бактерий пошел вал открытий: пчелы, голуби, киты, — оказывается, многие умеют ориентироваться в магнитном поле планеты… И действительно, почему бы не воспользоваться изначально заданными нашей планетой координатами? Организовано магнитное поле Земли довольно просто — действует по принципу диполя, то есть стержневидного магнита, помещенного в центре Земли и ориентированного вдоль оси ее вращения. Он положительно заряжен с одного (северного) конца и отрицательно — с другого. В любой точке земной поверхности магнитное поле можно представить как вектор в трехмерном пространстве, то есть как очень точный указатель. Задается этот вектор следующей системой координат: магнитным склонением (углом между меридианом и проекцией вектора на плоскость, касательную к поверхности Земли), наклонением (углом между вектором и плоскостью, касательной к поверхности Земли) и величиной (напряженностью поля). То есть склонение можно выразить как угол между направлением стрелки компаса на истинный Северный полюс и полюс магнитный, а наклонение — как угол, на который стрелка наклоняется к земле, следуя направлению вектора поля. Достаточно определить всего две переменные компоненты — напряженность и магнитное наклонение, и вы получите точную привязку своего местоположения к поверхности Земли. Без всякого GPS.
Конфигурация поля, вероятно, объясняется тем, что возникает оно в результате перемещения потоков в жидком железном ядре Земли. Какие именно слои ядра «отвечают» за магнитный момент, точно не известно, но ряд моделей довольно неплохо предсказывает результаты работы всей этой системы. Например, вращение в проводящей среде объемной фигуры из двух проводящих цилиндров, продольные оси которых взаимно перпендикулярны, создает двухполюсное магнитное поле, поскольку электрический ток в одном цилиндре индуцируется магнитным полем другого. Одним из результатов работы такой «динамо-машины» будет нерегулярная смена полюсов, когда южный оказывается в Северном полушарии и наоборот. Подобное явление названо магнитной инверсией [7] .
7
От лат. inversum — наоборот.
Обо всем этом мне рассказывал Джо Киршвинк, профессор геобиологии из Калифорнийского технологического института, пока мы с ним коротали время у скалистого обрыва реки Алдан в Якутии. Туда Джо в 1981 году в поисках древних инверсий магнитного поля в кембрийских отложениях прилетел прямо из Японии с молодой женой Ацукой, тоже специалистом по магнитным явлениям. С ней ему незамедлительно пришлось расстаться, поскольку мы на пару отправились на интересующий только нас и малопривлекательный для всей экспедиции разрез.
На моторке я был за капитана, а Киршвинк — за механика, поскольку лодочный мотор отличался от его ручного бура только насадкой — винтом вместо бурильной колонки. Два дня я стоически варганил ранний завтрак, на третий — разжигать костер и варить что-нибудь горячее — был отправлен профессор. Через два с половиной часа он разбудил меня и сказал, что решил-таки трилемму: из трех сортов «риса» — мелкого желтого (пшено), крупного красного (гречка) и толстого белого (это действительно был рис, но наш, отечественный, а не привычный американцам длинненький) он решился приготовить последний. Правда, довел его до консистенции манной каши. Какао я предпочел сделать сам…
Таежными вечерами я постигал историю магнитных исследований, а также историю знакомства Джо с будущей женой на симпозиуме по биомагнетизму в Киото. По сути, тогда было открыто новое — магнитное, или компасное, чувство, которым обладают самые разные организмы от бактерий до китов. Природа этого чувства несколько схожа со зрением. В слове «биомагнетизм» нет ничего связанного с ясновиденьем и прочим шарлатанством. Эта наука изучает рост магнитных минералов в живых организмах и способности животных ориентироваться в магнитном поле. При том что обнаружение кристалликов размером от 0,04 до 0,12 микрона даже в тельце пчелы, не говоря уж о туше кита, задача — посложнее пресловутых поисков иголки в стоге сена, причем сам стог, учитывая соотношение масштабов, возносится выше Джомолунгмы. Расчленение тканей должно производиться без применения каких-либо привычных хирургу и препаратору металлических инструментов, иначе засорения избежать не удастся, и вся длительная и сложная операция пойдет насмарку.
Лишь в последние два десятилетия XX века с появлением приборов нового поколения, высокочувствительных к источникам магнитного поля, удалось обнаружить мельчайшие частицы магнетита, запрятанные в передней части брюшка у пчелы, в голове и груди у бабочки данаиды, вблизи решетчатой кости черепа у тунца и в передней части твердой оболочки мозга у зеленой черепахи, голубя и дельфина. С загрязнением извне биогенные минеральные формы перепутать невозможно. Например, магнетит отлагается в клетках в виде шестигранных таблитчатых кристалликов, тогда как в неживой природе он кристаллизуется исключительно в виде восьмигранников — октаэдров или двенадцатигранников — ромбододекаэдров. Кристаллы биогенного магнетита очень однородны по форме и размерам и не содержат примесей, свойственных геологическим материалам, так как растут в условиях жесткого биохимического контроля. Благодаря отчетливым различиям по находкам магнетитовых таблеток удалось установить, что отлагавшие их бактерии существовали уже 2,1 миллиарда лет назад.
В магнитном поле Земли с биогенным компасом не заблудишься, если, конечно, исключить магнитные аномалии (подобные искажения создают, например, огромные залежи металлических руд под Курском). Хотя сам механизм восприятия магнитного поля различными организмами, кроме бактерий и радужной форели, остается расшифрованным не до конца, понятно, что именно скопления доменов магнетита служат органом, воспринимающим магнитные сигналы, и что пчелы, голуби, черепахи и киты пользуются такой информацией для ориентации в пространстве.
Способность медоносных пчел возвращаться в улей всерьез заинтересовала ученых более двух столетий назад. Еще в первой половине XX века многие маститые биологи совершенно не верили в танцевальный пчелиный язык, хотя Карл фон Фриш достаточно подробно изложил суть этого явления. Он выяснил, что эти насекомые запоминают расположение предметов вблизи своего дома и с помощью знаменитого танца передают соплеменницам сведения о положении по отношению к улью и солнцу самых привлекательных для сбора нектара участков. Пчела-сборщица отмечает расстояние и направление каждого отрезка своего маршрута, внося поправки на ветер (при встречном ветре маршрут как бы удлиняется) и суточное «движение» солнца. Вернувшись после удачного взятка, она исполняет пантомиму полета к источнику пищи. Соплеменницы внимательно наблюдают и повторяют рисунок танца. Танцовщица виляет брюшком из стороны в сторону, двигаясь по прямой, совпадающей с направлением ее пути. Показывает основные ориентиры пчела обычно на вертикальной плоскости (стенка сотов). Ориентиром служит вектор силы тяжести: «верх» указывает на положение солнца. Так, виляющая дорожка под углом 90° вправо от вертикали означает, что корм находится под углом 90° вправо от прямой, направленной от улья к солнцу. Продолжительность виляния соразмерна расстоянию до источника взятка. Казалось, эти насекомые обладают органом восприятия гравитации.
Однако замысловатые круги и восьмерки выписывали и молодые особи, никогда не покидавшие родной улей, а в ритуальном танце сборщиц постоянно наблюдались странные ошибки в указании верного направления, которые совершали все без исключения пчелы. Подобные ошибки направления исчезают, если танцевальные проходы ориентированы вдоль силовых линий магнитного поля. Чтобы избежать лишних проблем, эти перепончатокрылые и соты возводят, располагая ячейки с учетом характеристик магнитного поля. Так на них потом легче будет выплясывать. Кстати, пчел на самом деле можно разделить на «правильных» и «неправильных»: одни предпочитают ориентироваться по северному магнитному полюсу, другие — по южному.