Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации
Шрифт:
Кстати, если отвлечься ненадолго от темы полета, следует заметить, что отношения между площадью поверхности и объемом очень важны для живых существ в целом. Подобно тому как крылья увеличивают площадь внешней поверхности, а это важно для полета, есть много органов, которые увеличивают площадь внутренней поверхности, чтобы соответствовать увеличению размеров тела. Например, легкие.
Объем или вес животного – хороший показатель количества его клеток. У крупных животных клетки не крупнее обычного, их просто больше. Каждая из этих клеток – и у мыши, и у слона – должна получать кислород и другие жизненно необходимые вещества. У блохи клеток меньше, чем у слона, и все они недалеко от воздуха, кислороду легко попасть в клетки. У взрослого человека около 30 триллионов клеток, и лишь крошечная их доля – клетки кожи, контактирующие с воздухом. Хотя поверхность кожи человека гораздо больше, чем у блохи, на нашей внешней поверхности расположена меньшая доля клеток, мы возмещаем этот недостаток, отращивая себе большую внутреннюю поверхность, которая соприкасается с воздухом. На этом принципе построены легкие, внутри которых сложная система разветвляющихся
Кровеносные сосуды в легких ветвятся бесконечно, обеспечивая огромную площадь внутренней поверхности, необходимую, чтобы забирать кислород из легких и распределять его по всем клеткам тела, например, мышечным, где кислород нужен для медленного сгорания, на котором работают мышцы. Кровеносные капилляры обеспечивают гигантскую внутреннюю поверхность для сбора и распределения питательных веществ и снабжают клетки всем необходимым. Обычной клетке нужно находиться примерно на расстоянии 0,05 мм от ближайшего капилляра, то есть в пределах двух-трех диаметров клетки. Капилляры собирают питательные вещества из кишечника, который сам по себе тоже обеспечивает большую внутреннюю площадь поверхности – тоже почти с теннисный корт. Представьте себе, какой огромной длины кишечник свернут внутри вас, и сравните его длину с кишечником дождевого червя – просто трубкой, которая тянется от одного конца червя до другого. Ваши почки снабжены бесчисленными тоненькими трубочками, суммарная площадь поверхности которых опять же огромна, и в этих трубочках кровь фильтруется и очищается от отходов. Если вытянуть в длину все ваши кровеносные сосуды, большинство которых – крошечные капилляры, их можно обмотать вокруг экватора три с лишним раза. Это дает колоссальную площадь поверхности соприкосновения клеток с кровью. Многие большие органы в вашем организме – не только легкие и кишечник, но и печень, почки и так далее – всеми силами стараются повысить рабочую площадь доступа крови к клеткам. В сущности, все изгибы и закоулки кораллового рифа, складки и трещинки древесной коры и бесчисленное множество листьев в лесу – способ несоизмеримо увеличить площадь поверхности, которая необходима живой материи, чтобы жить.
Из этого отступления можно сделать вывод, что название главы – “Если нужно быть большим и все равно летать, увеличь поверхность тела” – применимо не только к полету, но и к дыханию, кровообращению, пищеварению, выведению отходов и вообще ко всему, что происходит внутри животного, а не только к тому, что мы видим снаружи. Но вернемся к полету.
Как мы уже выяснили, чем больше площадь поверхности животного по сравнению с его весом, тем медленнее оно падает в воздухе и тем легче ему обеспечить себе подъемную силу, необходимую для полета. Очевидно, что крылья дают много дополнительной поверхности, для чего бы ни служили – для взмахов или парения. У летучих мышей и птеродактилей это тонкие полотнища кожи. Тонким полотнищам нужен каркас – из костей или чего-то равноценного. Эволюция склонна к оппортунизму и обычно модифицирует что-то уже существующее, а не отращивает нечто совершенно новое. В теории можно себе представить крылья, растущие из спины, как на изображениях ангелов, но для этого пришлось бы отрастить новые кости для их каркаса. Может быть, в нашем распоряжении уже есть какие-то кости, которые можно использовать как каркас для летательных поверхностей? Как мы еще увидим, существуют ящерицы, которые парят на кожаных перепонках, натянутых по бокам, и эти перепонки заимствуют для поддержки ребра. Но более профессиональные летуны – летучие мыши, птицы и птерозавры – пользуются передними конечностями, которые уже снабжены подходящими костями и мышцами, дающими простор для модификаций.
У летучих мышей и птерозавров летательная кожа натянута между передней и задней конечностями одной стороны. У птерозавров большинство костей передней конечности остались довольно короткими, но они отрастили один непомерно длинный палец – четвертый (безымянный). Слово “птеродактиль” буквально означает “крыло-палец”. Этот гипертрофированный палец обеспечивает каркас почти всей передней кромки крыла и тянется до его кончика. Наши пальцы – тонкие, нежные, мы с их помощью можем заниматься деликатной работой, например печатать и играть на пианино. Нам трудно представить себе, чтобы один палец отрос длиннее всей руки и был достаточно сильным, чтобы держать мощное крыло, как у кетцалькоатля. Вот нам урок того, на что способна эволюция, когда пользуется чем-то уже имеющимся. Летательная перепонка сама по себе плохо сохраняется в окаменелостях, поэтому реконструкции разных биологов не всегда совпадают. Мы опирались на самые авторитетные современные реконструкции и нарисовали крыло, доходящее до самой лодыжки. Кроме того, некоторые данные указывают, что по задней кромке крыла от кончика пальца до лодыжки проходило сухожилие, которое дополнительно укрепляло крыло и, возможно, не позволяло ему трепетать на ветру, что не просто помешало бы экономному полету, но и могло порвать перепонку.
ТРИ
Летучие мыши (01) удлинили все пальцы и растопырили их. Птерозавры (02) непомерно увеличили только один палец.
Летучим мышам и птерозаврам пришлось для дополнительной прочности задействовать и заднюю конечность. Птицам (03) это не нужно, поскольку перья сами по себе обладают жесткостью. А кости передних конечностей у них неожиданно (и очень экономично) коротки – по той же причине.
Крылья летучих мышей натянуты на каркас из всех пальцев, не только четвертого, и еще они, как и птерозавры, задействуют в качестве дополнительной распорки для крыла заднюю лапу. Это лишает их возможности нормально ходить. Пожалуй, лучше всех из летучих мышей умеют ходить новозеландские летучие мыши, которые снуют в опавшей листве тамошних лесов. Но в ходьбе и беге им не сравниться с птицей. Я могу себе представить, как ходил птерозавр – пошатываясь и неуклюже балансируя крыльями, точь-в-точь сломанный зонтик.
Птицы поступают иначе. Их летательная поверхность сделана не из кожной складки, а из перьев, которые могут хитроумным образом расправляться. Перья – одно из чудес природы, восхитительное устройство, достаточно прочное, чтобы поддерживать птицу в воздухе, но не настолько жесткое, как кость. При всей своей гибкости перья достаточно прочны, чтобы дать птичьему крылу возможность сэкономить на костях. У некоторых птиц (например, у изображенного на рисунке ворона) костный скелет верхней конечности доходит лишь до половины длины крыла. Остальной размах обеспечивается за счет перьев. Сравните это с летучей мышью или птерозавром, где кость тянется до самого кончика крыла. Кости прочны, но тяжелы, а тяжесть – именно то, чего надо избегать, если ты летаешь. Полая трубка гораздо легче сплошного стержня и лишь немного уступает ему по прочности. Кости у всех летающих позвоночных настолько полые, насколько позволяет разумный риск, и укреплены внутри поперечинами. Птицы могут позволить себе свести скелет крыла до минимума, а вместо него иметь сверхлегкие прочные перья.
Роберт Гук в своей книге Micrographia, вышедшей в 1665 году, одним из первых зарисовал то, что видел в микроскоп, и поразил своих читателей сложными изящными структурами живых организмов. Неудивительно, что его внимание привлекло и перо, “ибо здесь можем мы наблюдать саму Природу, которая приложила все силы, чтобы создать вещество, которое было бы как достаточно легким, так и весьма прочным и жестким”. Далее Гук замечает, что “самые прочные тела по большей части еще и самые тяжелые”, а следовательно, если бы перо было создано иначе, чем в его нынешнем виде, оно было бы значительно тяжелее. Перья крыла скользят друг по другу, поэтому крыло идеально складывается, словно веер, и подстраивается под разные условия полета. В этом отношении крыло птицы совершеннее крыла летучей мыши или птерозавра, которым приходится расплачиваться за возможность менять форму крыла свисающими складками кожи. Опахало крыла состоит из сотен бородок, которые сцепляются и расцепляются с соседними бородками, словно застежка-молния. Такое устройство позволяет достичь того идеального сочетания силы и легкости, которым восхищается Гук. Но это не бесплатно: перо требует постоянного ухода – птица должна клювом приглаживать его, чтобы бородки были хорошо сцеплены и лежали в порядке. Если достаточно долго наблюдать за птицей, наверняка увидишь, как она прихорашивается, причем особое внимание уделяет крыльям. От этого зависит ее жизнь в буквальном смысле, поскольку плохо уложенные перья крыла мешают нормальному полету, и тогда птица не сможет спастись от хищника. Или поймать добычу. Или уклониться от столкновения.
ЧЕТЫРЕХКРЫЛЫЙ ДИНОЗАВР
Такую конструкцию могли бы перенять птицы, но этого не произошло.
Перья – это видоизмененные чешуйки рептилий. Вероятно, изначально они эволюционировали не для полета, а для теплоизоляции, как шерсть млекопитающих. Мы в очередной раз видим, как эволюция воспользовалась тем, что у нее уже есть. (Другой пример: самец черногрудого рябка, обитающий в пустыне, вынужден носить воду своим птенцам издалека. Перья на его грудке изменены таким образом, чтобы впитывать воду, словно губка. В них самец приносит воду домой, и его птенцы высасывают ее.) Плотный пушистый перьевой покров в дальнейшем стал толще за счет укрепленного ствола посередине пера, а его упругая гибкость стала идеальной для полета. Вся летательная поверхность крыла птицы покрыта перьями, и ее площадь очень велика относительно площади поверхности остального тела птицы. Основную нагрузку в полете берут на себя так называемые маховые перья первого порядка. Это большие перья, которыми в основном и писали наши предки, предварительно очинив их.
Только недавно было обнаружено, что перья были распространены у группы динозавров, от которых произошли птицы. По-видимому, тираннозавры (Tyrannosaurus), наводившие ужас на все живое, имели оперение, что почему-то делает их не такими страшными и даже по-своему умилительными. Существовали и четырехкрылые оперенные динозавры. Они жили в меловой период, 120 миллионов лет назад, то есть позднее знаменитого археоптерикса (Archaeopteryx), которого часто называют первой птицей. Вероятно, существа вроде микрораптора (Microraptor, на рисунке) были способны не только парить, но и летать по-настоящему.