Как решить задачу?
Зависть эта, однако, от незнания. Потому что животным тоже приходится решать задачи, более того – каждодневно. В самом деле, представьте себе, что вы муравей и вышли из муравейника на поиски пищи. Вы долго ползли, сворачивали туда и сюда и наконец нашли. А как теперь найти обратную дорогу в родной муравейник? И такая же задача каждодневно встает перед пчелами. Ученые уже десятки лет изучают, как же ориентируются все эти крохотные насекомые. И хотя они занимаются этим уже десятки лет, каждый раз открывается что-то новое. Вот и сейчас очередная международная группа ученых специально отправилась в Испанию, чтобы решить вопрос, как ориентируются тамошние пустынные муравьи, когда возвращаются домой с разной пищей. Оказывается, это очень важный (для муравьев и ученых) вопрос, потому что когда муравей возвращается с небольшим куском пищи, он несет, идя обычно - головой вперед. А когда кусок большой, тяжелый, он тащит его пятясь, т.е. спиной вперед, – так волочить легче. Как же он тогда находит дорогу?
Этот вопрос новый, потому что насчет возврата головой вперед ученые уже знают многое. Длительные наблюдения и специальные эксперименты уже показали, что муравьи, подобно пчелам, наделены тремя видами врожденной памяти. Во-первых, они запоминают положение Солнца относительно направления их взгляда (т.е. движения) по пути «туда» и способны «учесть», что на обратном пути Солнце, ранее светившее слева, будет светить справа. Более того, как показали эксперименты, этот природный механизм «солнечной памяти» способен учесть сдвиг Солнца за время поисков пищи. Во-вторых, и пчелы, и муравьи каким-то образом запоминают длину пути. Это особенно удивительно в случае пчел, потому что они порой в поисках пищи удаляются на несколько километров от своего улья. Но именно им эта «дистанционная память» особенно необходима, потому что, прилетев в улей, они должны своим танцем передать товаркам как направление полета к найденной добыче, так и дальность этого полета. Муравьям это не так нужно – они помечают свой обратный путь особыми пахучими веществами, феромонами, так что товарищи по муравейнику смогут легко последовать за первопроходцем. Но самому первопроходцу никакие феромоны не помогают, а в его роли может оказаться каждый, поэтому у муравьев сильнее, чем у пчел развит третий вид памяти – на окружающие приметы.
Что же открыли ученые, наблюдая испанских муравьев? Прежде всего, они обнаружили, что муравей, идущий головой вперед, практически не пользуется Солнцем и все поправки в направлении вносит, руководствуясь окружающими приметами. А вот муравей, идущий пятясь, движется иначе. Какую-то часть пути он пятится по прямой, все время держась под одним и тем же углом к лучу Солнца. При этом он, конечно, то и дело поворачивает тело, чтобы легче было волочить пищу, но независимо от этих мелких изменений положений тела, направление его пути (задом) остается одним и тем же (относительно Солнца). Затем он останавливается, кладет добычу на землю, поворачивается головой вперед и делает несколько шагов, как бы осматриваясь в поисках знакомых примет. Видимо, в его памяти те или иные приметы связаны с тем или иным направлением на Солнце, потому что, осмотревшись, подняв пищу и снова повернувшись задом наперед, он зачастую начинает идти по новой прямой. И так до тех пор, пока не приблизится к муравейнику, а там уже у него появляется самый надежный ориентир – запах углекислого газа, выдыхаемого его собратьями.
Выходит, - пишут ученые в заключение своей статьи в журнале Current Biology, - муравей может «преобразовывать» указания придорожных примет в «солнечные координаты», то есть его пространственная и «солнечная» памяти связаны друг с другом. На их научном языке это выглядит очень торжественно: «Муравьи способны переводить воспринятую им по пути пространственную информацию в геометрическую систему отсчета, связанную с Солнцем, что позволяет им отделить направление своего движения от ориентации своего тела и благодаря этому сохранять правильное попятное движение». А муравей, наверно, бормочет про себя по-простому, по рабоче-муравьиному: «Вроде бы когда я шел мимо этого магазина, солнце было вон за тем домом –значит, здесь мне нужно свернуть вон в ту сторону… а возле этого пивного ларька, точно помню, солнце прямо в морду било – тут, стало быть, надо довернуть налево чуток…»
Наш человек муравей.
Но вот задачка потруднее: как срастись в прежнее целое, если тебя перемололи в фарш? Мы с вами даже и решать такое не возьмемся, только содрогнемся от ужаса при мысли о такой перспективе, а вот маленькое простенькое пресноводное животное гидра запросто управляется и с этим. И опять все дело в памяти, только в памяти особой, какой ни у нас, ни у муравьев с пчелами нет и в помине. Это недавно показали израильские ученые Кинерет Керен сотоварищи из Техниона в Хайфе.
Если размолотую на части гидру бросить в банку с водой, ее крупицы свернутся в небольшие шарики, соберутся вместе и начнут расти: снова появится рот с небольшими щупальцами, тельце и задняя удлиненная часть. Кто управляет этим процессом? Кто указывает этим шарикам, кем кому стать? Несколько лет назад калифорнийский биолог Ульрих Технау вроде бы решил этот вопрос. Он и его коллеги опубликовали тогда в журнале PNAS статью, в которой доказывали, что все дело в голове. «Голова» у гидры – это та группа клеток, которая окружает ее рот. Так вот, - утверждал Технау, - каждая из этих клеток хранит память о расположении какой-то части тела гидры. И достаточно, чтобы в каждый комочек перемолотой гидры попали 5-20 таких «клеток памяти», чтобы все остальные клетки каждого комочка реорганизовались относительно друг друга «правильным образом», т.е. образовав нужную часть, а все части вместе срослись в – прежнюю гидру.
Однако вот, три года спустя, в феврале 2017 года, израильские биологи объявили эту гипотезу недостаточной. Как пишут они в своей статье в журнале Cell Reports, дело не только – а, может быть, и не столько - в голове гидры и в каких-то ее особых «клетках памяти», а в ее скелете, который, по их утверждению – и это еще интересней – тоже обладает памятью, только «механической». Как это понять? Конечно, у гидры нет того скелета, что у нас, из костей и хрящей. Но в ее теле в увеличенном виде воспроизводится тот «белковый скелет», который есть в каждой живой клетке. В наших клетках этот скелет образован особыми волокнистыми белками типа актина, миозина и пр. и играет огромную роль во всей клеточной жизни. Во-первых, он придает клетке способность сохранять объем и форму, в то же время оставляя ей возможность менять эту форму и передвигаться. А во-вторых, его волокна играют роль внутриклеточных «рельсов», по которым те или иные рабочие белки движутся в предназначенные им места в клетке.
Так вот, - говорят израильские ученые, - в теле гидры есть увеличенное подобие такого волокнистого скелета. И волокна его, - утверждают эти исследователи, - сохраняют память о том, как они были изогнуты в том или ином месте. А все вместе они «помнят», как было организовано все тело гидры. Когда гидру разделяют на кусочки, то в каждом из них волокна скелета деформируются, но сохраняют память о том, какими они были в цельной гидре. (Я позволю себе здесь грубое сравнение: вот так же согнутая стальная полоска «помнит», что была прямой и «стремится» снова стать ею). Стоит двум кусочками разделенной гидры соединиться, как их скелетики немедленно восстановят – на какую-то долю – свое прежнее расположение. И чем больше соберется таких кусочков, тем ближе к первоначальному будет становиться их общий (сросшийся) «скелет». Так, по мнению авторов, механическая память волокон управляет «возрождением» размолотой гидры.
И наконец пример задачи из жизни рыб. Точнее, морских коньков. Но ученые и их относят к рыбам. Рыба эта совершенно особая. Во-первых, у нее, в отличие от всех рыб, нет жабер. У нее все тело - жабры: тонюсенькая кожа, натянутая на столбик из костистых кружочков, образующих скелет. Во-вторых, опять же в отличие от других рыб, у нее гибкая шея, кончающаяся почти лошадиной головой, отсюда название. И в-третьих, это единственная рыба, в которой оплодотворение происходит внутри самца: самка, после долгих ухаживаний, они же приготовления, выпускает в особый «карман» на брюхе самца тысячи яйцеклеток (вместе с морской водой), а он в тот же миг закрывает карман и открывает на секунду щель в брюхе, откуда в эту воду устремляются сперматозоиды. Происходит оплодотворение, а потом детенышей вынашивает самец.
Ему, понятно, нужно много есть, а беда морских коньков в том, что они очень плохие охотники- неповоротливы и медлительны; им принадлежит рекорд медленного плавания среди рыб – полтора метра в час. Поэтому конек-самец охотится иначе: цепляется хвостом за всякие морские растения или предметы, а проплывающую мимо добычу жадно всасывает своей удлиненной пастью. И тут-то возникает задача – как прикрепиться попрочнее, да еще и так, чтобы хвост, многократно обмотанный вокруг «стояка», не уставал и не изнашивался от многонедельного, напряженно скрученного состояния?
Долгое время ответа на этот вопрос никто не знал, кроме, разумеется, самого конька, а он держался стойко, тайн не выдавал. И только в 2015 году американский биолог Портер эту загадку разгадал, о чем оповестил научный мир через журнал Science. Оказалось, что хитрый конек придумал инженерный фокус. Я уже сказал выше, что скелет конька состоит из костистых колечек. Но когда Портер присмотрелся поближе к его хвосту, то увидел, что он образован не из колечек, а из костистых квадратиков. Казалось бы, какая разница? Но это для нас никакая, а для конька (и для инженеров) – огромная. Представьте себе круглый и квадратный хвосты, намотанные на один и тот же округлый и скользкий стояк. Круглые кости могут крутиться вокруг своей оси и в результате соскальзывать со стояка, тогда как квадратные, понятно, упираются углами, повернуться не могут и держатся цепко. Портер проверил это на пластиковых моделях.
Более того – эти же модели показали, что квадратный хвост прилегает к стояку на большей площади, чем круглый, что еще более увеличивает его цепкость. С третьей стороны, он, как ни странно, оказался еще и прочнее круглого. И наконец, в-четвертых (у квадрата ведь четыре стороны), его свертывание вокруг стояка – чего уж совсем не ожидали ученые – требует меньших затрат энергии, чем свертывание круглого, и это может объяснить его выносливость. Ученые так восхитились этими замечательными свойствами придуманного морским коньком квадратного хвоста, что вознамерились использовать эту конструкцию при создании роботов, предназначенных работать в условиях, в каких живет морской конек. Конек, судя по всему, не возражал разделить с ними славу первооткрывателя. Вот разделят ли Портер сотоварищи с морским коньком свои будущие доходы – в этом я очень и очень сомневаюсь.
Рафаил Нудельман
"Окна", 16.3.2017