Трилобиты: Свидетели эволюции
Шрифт:
Посмотрите на кристалл исландского шпата, и вам откроется тайна трилобитового зрения. Потому что для глазных линз трилобиты использовали совершенные кристаллы кальцита — и в этом они уникальны. У других членистоногих формируются «мягкие» глаза, они построены из тех же клеток и органических соединений, что и остальное тело. В пределах этого ограничительного условия существует необъятная масса разновидностей: есть глаза с многочисленными линзами, как у мухи; крупные составные глаза пауков; глаза, видящие в темноте; глаза, отлично приспособленные к яркому солнечному свету. Глаза осьминога прославились своим сходством с глазами позвоночных, их разбирают как наглядный пример конвергентной эволюции в животном мире. Разглядывая, бывало, унылый глаз дохлой рыбы, мы про себя благословляли свои ясные — фокусирующиеся — глаза. И только трилобиты использовали прозрачность кальцита для передачи света чувствительным клеткам. У них глаза естественно продолжали панцирную оболочку. Они сидели поверх щек животного будто в специальных очках, твердых, как и вся раковинка.
«Глазная» тема требует небольшого пояснения. Устройство глаза зависит от оптических свойств кальцита, а они, в свою очередь, зависят от свойств кристаллической решетки. Если разбить большой кусок кристаллического кальцита, то он расколется на фрагменты в соответствии со структурой связей своих атомов: здесь безоговорочно исполняются законы, которые диктует невидимая организация самого минерального вещества. У вас в руках останется шестигранный кусок кальцита в форме ромба. Не равносторонний куб с квадратными гранями, не параллелепипед с прямоугольными сторонами, подобный плитке шоколада, нет, стороны ромба совсем не прямоугольные. Геометрия минеральной формы описывается взаимным направлением нескольких главных осей, проходящих через центр кристалла. Простейший кристалл — это куб, его оси проходят через центры граней и пересекаются в центре куба под одинаковыми углами, причем все имеют одинаковую длину. Эти оси называются соответственно а, b и c (здесь в виде исключения наука выбрала наипростейшие имена). Структура кальцита подразумевает одну главную ось, которую пересекают три оси; все они пересекаются друг с другом под углом 120°, и в результате получаются ромбы. Чистый кальцит, который, как мы выяснили, совсем не куб, пропускает свет определенным образом. Падая на грань ромба, световой луч раздваивается, это явление известно как двойное лучепреломление. Один из получившихся лучей получил название обыкновенного, а второй — необыкновенного: их путь строго определен подобно самой форме кристалла взаиморасположением атомов в кристаллической решетке. На первом этаже Музея естественной истории в Лондоне стоит огромный образец исландского шпата, через него можно посмотреть на Мальтийский крест и увидеть два изображения: одно порождено обыкновенным лучом, а второе — необыкновенным. Но существует только одно-единственное направление, вдоль которого луч не расщепляется надвое. Оно проходит вдоль кристаллографической оси с: луч, бегущий по этому направлению, не разделится на два луча, а неизменным переправится сквозь кристалл. Можно было бы проскочить мимо рассуждений о том, как кальцит преобразует свет, они и вправду больше смахивают на некоторые заковыристые вопросы из теста на общую эрудицию. Но все же, все же… Избирательность оси с гарантирует предпочтение именно тем лучам, которые направлены вдоль нее. Если кристалл вытянут в призму параллельно оси с, то нерасщепленный свет пройдет через кристалл вдоль длинной стороны призмы. А если светить на эту призму под любым другим углом, то свет, как и положено, разойдется на обыкновенный и необыкновенный лучи, которые, дойдя до поверхности кристалла, снова отклонятся и частично отразятся, а затем снова преломятся и отразятся — и так снова и снова. Поэтому в призме, если она достаточно длинная, есть всего лишь одно направление, которое пропускает четкий луч, — это направление кристаллографической оси с. Иными словами, луч, который такой кристалл может «видеть», падает на кристалл только с одного конкретного направления. Удивительно, но трилобиты совладали с хитроумными свойствами кальцита и обратили их в свою пользу. У них кристаллические — буквально хрустальные — глаза.
Глаза трилобитов состоят из удлиненных призм чистейшего кальцита. У большинства призмы в глазах прижаты сторонами одна к другой. Очевидно, призмы работают как элементарные линзы, точно так же, как в сотовидных глазах других членистоногих каждый шестигранник является отдельной линзой — будь то муха, стрекоза или рак. У трилобита на голове еще один вариант такого же сложного, или фасетчатого, глаза — глаза, составленного из многочисленных зрительных модулей, которые, взявшись за дело вместе, рисуют портрет окружающего мира. Каждый зрительный модуль является линзой. И отличие трилобита от остальных только лишь в том, что линзы у него каменные, сделанные из твердого минерала. Если сказать: «трилобит смотрел на меня каменным взором», то в этих словах прозвучит совершенная правда. Здесь припоминаются странные строки одной из самых странных пьес Шекспира. Из «Бури»:
Отец твой спит на дне морском. Кораллом стали кости в нем. Два перла там, где взор сиял. Он не исчез и не пропал, Но пышно, чудно превращен В сокровища морские он. Вот похоронный слышен звон [20] .Если обратиться назад, к «чудесным превращениям» трилобитовых эпох, то ничего более удивительного, чем кальцитовые линзы трилобитов, не найти. А перламутр с точки зрения химии оказывается все тем же немигающим глазом трилобита — это просто другая версия карбоната кальция, хотя перламутр не проводит свет, а художественно отражает его. Шекспир полагал, что жемчуг тусклый, и намекал таким образом на изменения мертвого тела — мертвый, но глаза есть, и все видят, отсюда и странность этого предложения. Трилобит смотрел на подводный мир мозаичными кальцитовыми линзами, и, в отличие от мертвого отца, его глаза читали мир сквозь живой камень.
20
Шекспир У. Буря. Акт 1, сцена 2. Пер. Т. Л. Щепкиной-Куперник.
Глаза трилобита были ориентированы таким образом, что кристаллографические оси с проходили вдоль длинных сторон составляющих их призм. В большинстве случаев эти оси образуют прямой угол к поверхности глаза. Если вы посмотрите сверху на поверхность отдельной линзы (ну, хоть с помощью увеличительного стекла — тоже линзы), вполне возможно, что трилобитовая линза посмотрит на вас. Посмотрит — это, конечно, иносказание, линза не может смотреть сама. Но она пропустит сквозь себя лучи света в определенном направлении. Глаз трилобита в общем и целом представляет собой комплект отдельных крошечных удлиненных линз, и каждая из них направлена чуть-чуть иначе, чем соседняя. В длинном полукруглом глазу собраны сотни и даже тысячи таких линз. Некоторые из них направлены осями с вперед, а у других ось с смотрит в сторону, у третьих — назад. Если представить, будто все оси с выходят из центров своих линз, получится что-то вроде подушечки для иголок. А крупный глаз превратится в настоящего ежа или, если хотите, в дикобраза, покрытого воображаемыми иглами, где каждая игла имитирует направление светового луча, который может пройти сквозь «свою» призму. Сравним их, например, с пучком стрел, каждая из которых нацелена на свою мишень.
Каждая линза вносит свой светлый лучик понимания в общую картину мира, каждая обозревает малюсенький, но закрепленный только за ней участочек окружения. Вполне возможно, что глаза трилобитов работали так же, как и глаза современных членистоногих. Поэтому можно ожидать, что в основании каждой линзы найдется чувствительная клетка, которая ответит должным образом на световой сигнал. Но эти клетки столь же нежны и эфемерны, как долговечны и крепки лежащие поверх них каменные линзы. Они не сохраняются в ископаемом состоянии [21] , но обязательно должны были быть — без них физический свет не превратить в живой образ. Свет сам по себе не переводится в понимание, это всего лишь пятна, скопированные бездушной поверхностью. Информация должна быть собрана нервами, а затем они должны передать ее в аналитические нервные центры. Без этого кусочки изображения, переданные элементарными линзами, будут перемешаны в мозаичный хаос, где фрагменты первобытного мира, чуть отличные один от другого, накладываются друг на друга, поворачиваются, мешаются. Разрешение такого зрительного устройства должно зависеть в некоторой мере от числа линз. Чем больше линз, тем детальнее выглядит изображение, если, конечно, нет ограничений в количестве воспринимаемых импульсов. Поэтому неудивительно, что у некоторых трилобитов невероятное число крошечных линз.
21
Это не совсем так. Последние исследования по микроскопированию трилобитовых глаз, выполненные на современных ускорителях (!), позволили разглядеть не только линзы во всей их красоте и совершенстве, но даже окружающие клетки, в том числе и пигментные клетки сетчатки! Клеточное окружение глаза трилобита оказалось таким же, как и у современного мечехвоста. Вот, что значит техника, отданная в пользование добросовестным и пытливым ученым. См.: Brigitte Schoenemann & Euan N. К. Clarkson. «Discovery of some 400 million year-old sensory structures in the compound eyes of trilobites» // Nature, 2013.
Одно из самых трудных предприятий, за которые я когда-либо брался, был подсчет линз в большом глазу трилобита. Для этого я сфотографировал глаз под разными углами, а затем отпечатал снимки с большим разрешением, чтобы стала видна каждая линза. Это были гигантские фотографии. А потом я начал считать — один, два, три, четыре… и так до ста, до двухсот. Сложность в том, что если при подсчете отвлечься хоть на мгновение или чихнуть, то тут же забываешь, на какой линзе остановился, и тогда надо начинать снова — один, два, три… Скрежещут зубы, сыпятся проклятья, произносятся всуе святые имена. В конце концов я решил прокалывать булавкой дырочку на каждой посчитанной линзе на фотографии, чтобы не считать ее дважды. Беда теперь поджидала меня при переходе от одной фотографии к другой: на какой линзе я остановился и как мне ее отличить от других? И в каком месте следующей фотографии она оказалась? Может, эта та, с маленькой трещинкой, или другая, которая вроде чуть больше соседней? Это задание великолепно подходило для страдающих бессонницей. Я насчитал около трех тысяч, после чего дал сам себе клятвенный обет больше никогда не ввязываться в подобную затею, а просто считать линзы на маленьком участочке глаза, а потом, призвав все свои арифметические познания, прикинуть общее число.
Среди множества видов трилобитов есть такие, у которых всего несколько линз в глазу, а есть и другие, у которых число линз доходит до нескольких тысяч. Без сомнения, так же варьировала и острота зрения. Но было их мало или много, все линзы без исключения проводили свет вдоль оси с кристалла кальцита, из которого они были сделаны.
Из этого следует интересное заключение. Если мы знаем, откуда падал свет на проводящую линзу, то закономерно знаем, куда трилобит смотрел. Оберните назад стрелочки осей с, и они направятся наружу, в воды морского мира, окружающего трилобита, пронизывая каждый предмет в поле его зрения. Поэтому нам нужно просто суммировать все линии единичных «взглядов» от каждой линзы, и мы поймем, что животное знало о своем мире. Мы можем взглянуть на мир глазами трилобита и увидеть его таким, каким видел мир трилобит сотни миллионов лет назад. Хрустальные глаза были нарочно настроены, чтобы наблюдать те первобытные сцены. Если в глазах линзы были собраны в горизонтальные линии, то их обладатели предпочитали видеть горизонт; выпуклые глаза с многочисленными линзами представляли обладателю более широкий обзор. Посмотри, куда обращены линзы, и узнаешь, какие пространства охватывал взглядом трилобит. Первым взялся исследовать поле зрения (а можно было бы сказать «и точку зрения») трилобитов Юан Кларксон, профессор Эдинбургского университета. Юан часто говорил «гляделки», а не глаза, и он, конечно, имел в виду строчку из песни:
Джипер-Крипер! Куда гляделки выпер? [22]Он делал вот что: для каждой линзы с большой точностью определял направление оси с. Затем прорисовывал расхождение этих лучей в пространстве в стереографических координатах и так находил, какую часть полной 360-градусной сферы мог обвести взглядом трилобит. И вскоре стал понимать трилобитовый взгляд на мир.
Большинство трилобитов, которые попадались Юану, не могли оглядеть пространство вокруг себя целиком, т.е. на 360°.
22
Строчка из популярной джазовой песни 1938 г., исполненная и прославленная Луи Армстронгом. Обращение в начале — замещающее имя или восклицание «Иисус Христос», а в шлягере — имя монстра с большими глазами.
Многие предпочитали присмотреться к тому, что находилось впереди. Глаза смотрели вбок и вперед, а часто и немножко назад: они глядели искоса. Почему так? Поле зрения покрывало область, окружающую трилобита, оно похоже на луч фонарика, что скачет по тропе, по кустам вокруг, а в небо ему светить незачем. И мы легко представим, почему трилобиту был удобен именно такой обзор. Большинство трилобитов обитали на морском дне или вблизи него, и именно дно им нужно было видеть как следует. Там, по поверхности дна, стремглав приближался враг, там копошился будущий обед, наполовину скрытый мягким илом, — или уползал, медленно извиваясь, или не спеша семенил по зыбкому осадку. А может, где-то по соседству пристроился и потенциальный брачный партнер, за ним тоже хорошо бы приглядывать. Да еще нужно глядеть в оба, чтобы не пропустить соперника, чтобы он не подкрался и не застал врасплох. Впереди трилобита антенны «ощупывают» воду — ползущему животному нужно учуять малейшую толику запаха, принесенную токами воды, нюхом дополнить то, что видят глаза; обоняние и осязание извечно на вторых ролях у зрения. Это был мир, устроенный на поверхности осадка, днем и ночью все события ограничивались одной полусферой.