Шестые чувства

Электрический нюх, магнитосенсорика и другие недоступные нам суперспособности

Изображение: kasha_malasha / Фотодом / Shutterstock

Природа наделила человека зрением, слухом, вкусом, обонянием и осязанием, навсегда заповедовав воспринимать материальный мир в этих ключевых для нашего выживания модальностях, но эта пятерица не есть неизменный абсолют живого. Одни организмы лишены зрения, другие ничего не слышат, а третьи, наоборот, обладают необычными для людей чувствами.

В сентябре 1985 года американская компания AT&T проложила между двумя островами Канарского архипелага оптоволоконный кабель, а уже через месяц что-то пошло не так и связь нарушилась. Инженеры оперативно устранили поломку, но потом история повторялась еще дважды в 1986-м и один раз в 1987 году. Оказалось, что кабель перегрызали ложнопесчаные акулы Pseudocarcharias kamohara, принимавшие слабое электромагнитное излучение оптоволокна за биотоки, испускаемые рыбами, которыми они питаются.

Это даже странно: человечество построило свою цивилизацию на электрическом токе, но совершенно не приспособлено к его непосредственному, чувственному восприятию, в то время как для многих животных, и особенно рыб, электрические поля — это важный источник информации об окружающем мире. В повседневной жизни мы без вреда для здоровья способны почувствовать разве только статические разряды от синтетического свитера, который стягиваем через голову, в то время как акулы слышат слышат токи, производимые дыханием своих жертв, плавающих в сотнях метров от них. Они погружены в океаны недоступной людям информации — мы только неловко подбираем глаголы для описания этого параллельного мира («слышать токи»).

Возможности электрического нюха акул хорошо показал американский ученый Адрианус Калмейн. Он брал морскую камбалу Pleuronectes platessa, кошачьих акул Scyliorhinus canicula, выловленных в Ла-Манше и Северном море, и выпускал их вместе в гигантский резервуар с водой. Камбала быстренько закапывались в песок на дне, но это не спасало ее от смерти в зубах хищника.

После Калмейн поставил несколько проверочных экспериментов: сначала камбалу накрывали непрозрачной агаровой камерой, проводящей электричество, но исключающей возможность оптического, химического или механического обнаружения рыбы (акула все равно находила добычу); потом агаровую камеру накрывали сверху непроводящим пластиком (акула не находила добычу); потом вместо камбалы хищнице подсовывали пару электродов, излучающих схожие сигналы (акула набрасывалась на электроды); и наконец, акуле давали выбор между парой электродов и лежащим рядом куском рыбы (акулы выбирала электроды).

Все вместе эти результаты говорят об одном: несчастную затаившуюся на дне камбалу выдавали крошечные электрические токи, производимые дыхательными мышцами. Такой ореол невидимых искр. Легкое потрескивание едва бьющейся жизни.


Дальнейшие исследования показали, что акулы способны детектировать электрические поля с напряженностями вплоть до 5 нВ/см, чего вполне хватает, чтобы почувствовать закопавшуюся на глубину 10 сантиметров в песок камбалу (она создает напряженность электрического поля до 200 нВ/см).

Эти суперспособности, превращающие акул в каких-то устрашающих биороботов-убийц, совсем не уникальное приобретение зубастых хищников. Органы чувств, воспринимающие электрические поля, в ходе эволюции, по-видимому, возникали у самых разных видов животных. Акулы и скаты для этого обзавелись ампулами Лоренцини, заполненными протон-проводящим прозрачным желе, а сомы, миноги и многие другие рыбы приспособили к электрорецепции боковую линию, в норме отвечающую за восприятие движения и вибрации окружающей их воды.

При этом многие рыбы умеют не только пассивно принимать электрические сигналы, но еще и генерировать электричество. Электрические сомы Malapterurus electricus и электрические угри Electrophorus electricus, выдающие аж до 300 и 500 вольт соответственно, используют эту способность для охоты, а вот гимнархи Gymnarchus niloticus, под силу которым напряжение максимум в 1 вольт, применяют электричество куда более тонким образом — с помощью него они ориентируются в пространстве.

Гимнарх Gymnarchus Niloticus, использующий электрическое чувство для навигации в пространстве. Изображение: Wikipedia


Гимнархи непрерывно испускают электрические сигналы и тем как бы картируют пространство вокруг себя: там несколько метров чистой воды без каких-либо препятствий, тут камень, не проводящий ток, а там, за камнем, притаился другой гимнарх. В каком-то смысле электрическое чувство заменяет им слух, а потому неудивительно, что, по заверениям свидетелей, гимнархи боятся, когда люди расчесываются неподалеку от их аквариума. Далекие всполохи разрядов хаосом шума и треска врываются в их приглушенный подводный мир.

Другие рыбы используют такие же слабые электрические сигналы для общения и даже выяснения отношений. Так, спиноперы глазчатые Notopterus chitala, выдающие переменный электрический ток, как хороший промышленный генератор колебаний — с постоянной амплитудой и частотой, в норме стараются не заглушать сигналы друг друга и вещают каждый в своем выделенном, уникальном канале.

Но иногда самцы спиноперов вызывают друг друга на электрические дуэли и, кружась вокруг друг друга, стараются перейти на максимально высокую частоту сигнала, чтобы тем самым подавить соперника и показать свое доминирующее положение в рыбьем сообществе. Нам, Homo sapiens, пропитанным сенсуальным шовинизмом классических пяти чувств, такие схватки могут показаться в лучшем случае азартным развлечением, чем-то вроде соревнования между роботами-футболистами, но это не так. Проигравший спинопер лишается очень многого. В мире рыб, где электричество часто несет изрядную долю информацию об окружающем, он становится все равно что глух или слеп.

Впрочем, на электрорецепцию завязана жизнь не только у рыб: утконосы во время охоты закрывают глаза, уши и ноздри, но все равно способны поймать себе пропитание даже в мутных водах ночной австралийской реки: они делают ставку на 40 тысяч электорецепторов, усеявших их клюв, работающих в спарке с механорецепторами, реагирующими на перепады давления в воде.

Квантовый компас

Все живое на Земле погружено в магнитное поле, создаваемое потоками расплавленного металла в ядре планеты. Конечно, геомагнитное поле возникло не сразу, его интенсивность постоянно скакала, магнитные полюса дрейфовали по одним им ведомым законам, а иногда и вовсе менялись местами, но к моменту появления первой живой клетки Земля уже обзавелась своим магнитным щитом от космической радиации. Логично, что эволюция должна была хотя бы попробовать извлекать какую-то ценную информацию из океана магнитных полей.

По-видимому, первыми это научились делать магнитотаксические бактерии, открытые в 1970-х годах, внутри которых для восприятия магнитных полей есть даже отдельная органнела — магнитосома, выглядящая как цепочка из примерно 20 наночастиц магнетита Fe2O4, окруженных липидным бислоем и специфическими мембранными белками.

Вся вместе эта структура напоминает миниатюрную стрелку компаса, способную за счет своего стремления ориентироваться вдоль направления геомагнитного поля создать такую механическую силу, которая перетянет хаос броуновского движения и подтолкнет бактерию в «нужную» магнетиту сторону. По-видимому, этот аппарат помогает магнитотаксическим бактериям, обитающим в водной среде, избегать губительного для них кислорода.

Общая логика, например, вблизи северного магнитного полюса такая: бактерия всегда старается двигаться вдоль магнитных силовых линий к северу, а значит, и вглубь водоема (у силовых линий в этих областях существенный нисходящий наклон) — подальше от верхних, богатых кислородом слоев воды. Но такая схема хорошо подходит только для районов вблизи магнитных полюсов, а обитают магнитотаксические бактерии даже вблизи экватора. Так что функции их магниторецепции пока не до конца понятны.

Изображение магнитотаксической бактерии, внутри которой видны цепочки магнитосом, полученное на просвечивающем электронном микроскопе. Источник: Front. Bioeng. Biotechnol., 11 March 2014 | http://dx.doi.org/10.3389/fbioe.2014.00005


А вот с птицами или насекомыми ситуация обратная: есть свидетельства, что они обладают магнитным чувством и используют его для навигации в пространстве, но пока неясно, за счет чего у них возникает магниторецепция. Сейчас считается, что за это отвечают специфические белки, такие как криптохромы, основная функция которых — это фоторецепция с фокусом на синий и ультрафиолетовый свет, а магнитное чувство здесь идет как полезное и приятное дополнение.

Магнитный момент, или спин, одного из этих электронов ориентируется главным образом под действием ближайшего атомного ядра, а другого — вдоль магнитного поля Земли, что делает энергетические состояния и, как следствие, химические свойства этих двух радикалов несколько различными. В результате получается очень тонкий сенсор, в котором небольшие изменения ориентации во внешнем геомагнитном поле вызывают сильные изменения свойств системы, дальше анализируемые и перерабатываемые нервной системой в магнитное чувство.

Пока одни исследователи разрабатывают теорию квантовой магниторецепции, другие предпочитают развлекаться с данными, особенно не вдаваясь в понимание процессов. Так, чешские и немецкие ученые во главе с Гинеком Бурдой в 2008 году на основе снимков Google Earth с 8510 коровами сделали вывод, что эти животные предпочитают стоять вдоль силовых линий геомагнитного поля (если, конечно, рядом нет водопоя или источников пищи). Потом, в 2009 году, они же показали, что эта закономерность пропадает вблизи ЛЭП, создающих сильное искажающее магнитное поле, а потом, уже в 2011 году, другая группа чехов опровергла выводы Бурды: они повторно провели статистический анализ тех же самых снимков и не нашли там никаких достоверных следов магнитного чувства.

Бурду эта критика не остановила, и он продолжил свои исследования по поиску магниторецепции у различных млекопитающих (в комплекте есть еще лисицы, олени и другие животные) и в 2014 году даже получил Шнобелевскую премию за работу о магнитной ориентации собак во время дефекации и мочеиспускания, сделанную, по его собственным словам, в свободное от серьезной науки время: в исследовании участвовало 70 собак 37 различных пород разных друзей и знакомых ученых. Хозяева внимательно следили за своими питомцами во время прогулок и, вооруженные компасом, ручкой и бумагой, зафиксировали 1893 акта мочеиспускания и 5582 акта дефекации. Оказалось, что в дни со спокойной геомагнитной обстановкой собаки предпочитали во время опорожнения ориентировать свое тело по направлению с севера на юг, в то время как в дни с сильными магнитными бурями их внутренний компас сбивался.

Работы других научных коллективов о магниторецепции у млекопитающих несильно опередили по доказательности и простроенности эти исследования, но это не мешает некоторым исследователям говорить о развитом чувстве магнитного поля даже у Homo sapiens: считается, например, что представители коренных народов Севера могут подсознательно использовать геомагнитные силовые линии в качестве ориентиров в своих бескрайних снежных просторах.

Увидеть прозрачное

Вода — идеальная среда для различных сенсуальных новаций. Так получается, что для большинства животных основным источником информации об окружающем мире служит именно зрение, но под водой, и особенно на большой глубине, света уже гораздо меньше, чем на суше, и поэтому разглядеть что-нибудь в деталях там затруднительно.

Животные выкручиваются как могут. Кто-то упирает на обоняние, кто-то оттачивает чувство электричества, а кто-то пытается извлечь больше данных из все-таки доходящего до него света, обращая внимание на поляризацию — характер колебания электрического (или магнитного) поля в бегущей электромагнитной волне света.



Человеческий глаз не обращает на эту характеристику света никакого внимания и собирает все поляризации в одну корзину, но это не значит, что поляризация не способна в принципе принести какой-нибудь ценной информации о мире. Вспомните фильтры для фотоаппаратов, вращая которые, можно вырезать свет определенной поляризации, а вместе с этим и приглушать яркость неба, перебивающую все детали на земле (человеческое восприятие умеет динамически сравнивать яркости неба и земли, но в действительности они сильно отличаются), или вырезать блики на окнах (при отражении от зеркальной поверхности свет меняет свою поляризацию). Так что, умея обращаясь с поляризацией, можно сделать световую картину более выпуклой и понятной.

Именно так и поступают осьминоги и другие головоногие моллюски, не обладающие цветовым зрением, но все равно способные охотиться даже на прозрачных подводных обитателей, тела которых неминуемо меняют поляризацию проходящего через них света. Кроме них такое продвинутое зрение доступно еще многим ракообразным, паукообразным и насекомым, среди которых, конечно, очень много совсем не водных обитателей. Так, работы нобелевского лауреата 1973 года Карла фон Фриша даже показали, что в танцах пчел закодированы пути к запасам пищи по отношению к плоскости поляризации солнечного света.

Расширение пространства возможностей: эхолокация, ИК-свет и ультрафиолет

Иногда животные не могут похвастаться перед человеком какими-то совершенно новыми уникальными чувствами, но зато расширяют вполне привычные нам способности. Так, дельфины и летучие мыши умеют работать с ультразвуковыми волнами, которые они используют для эхолокации. Дельфины издают щелчки и свисты длительностью до 100 мс, а потом ждут, когда отраженное эхо этих звуков вернется к ним обратно.

По характерным временным задержкам и доплеровским сдвигам сигналов они быстро создают объемную картинку окружающего мира, в котором на расстоянии даже в 200 метров вполне могут различить объекты до 15 сантиметров в диаметре. Кроме того, ультразвуковые волны в отличие от волн электромагнитных могут проходить и сквозь живые тела, позволяя дельфинам буквально заглядывать в наши внутренности.

Другой необычной способностью обладают пчелы. Как показал тот же самый Карл фон Фриш, эти насекомые хорошо видят в ультрафиолете, они научились неплохо использовать цветы, размещающие на своих лепестках целые посадочные полосы, невидимые для человека, но манящие, подобно рекламным вывескам, пчел.

Изображение цветка лилейника желтого в видимом (слева), УФ (центр), и ИК-спектре (справа). На УФ-изображении видны черные области, направляющие пчел к нектару. Изображение: Dave Kennard / Wikimedia


Наконец, в другую часть спектра электромагнитных волн забрались змеи и все те же летучие мыши — они видят инфракрасное, или, как еще говорят, тепловое излучение. Так, чувствительности инфракрасных детекторов ямкологовых змей Crotalinae вполне достаточно для того, чтобы засечь руку человека на расстоянии 40—50 см и чувствовать перепады температуры вплоть до сотых градусов Цельсия, что и позволяет этим рептилиям молниеносно фокусироваться на своих жертвах.

Впрочем, еще больше впечатляет встроенный тепловизор у летучих мышей-вампиров, который позволяет им не только чувствовать на расстоянии тепло живых тканей, но даже различать сеточки кровеносных сосудов на телах жертв. Леденяще-отточенное чувство, которое, впрочем, не должно нас пугать: мы, люди, со своими скучными (и недоступными многим животным) пятью чувствами справляемся со своими задачами уж явно не хуже этих вампиров, акул и пчел.



Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: