Полеты воображения. Разум и эволюция против гравитации

В детстве я не понимал, как ракетные двигатели работают в космосе, ведь там позади них нет воздуха и не от чего “отталкиваться”. Я был неправ. “Отталкивание” тут ни при чем. Приведу две-три более приземленные аналогии. Когда стреляет большое артиллерийское орудие, ощущается мощная отдача. Когда снаряд вылетает из дула, орудие откатывается назад. Никто не считает, что отдача вызвана тем, что снаряд “толкает” воздух перед орудием. На самом деле внутри гильзы взрывается порох, газ оказывает сильное давление во всех направлениях, силы, стремящиеся в стороны, уравновешивают друг друга. Сила, направленная вперед, выталкивает снаряд из дула, почти не встречая сопротивления. Сила, действующая в противоположном направлении, воздействует на само орудие, отчего оно и откатывается на колесах. Та же сила отдачи позволяет вам ехать по льду на санках, стреляя из ружья в направлении, противоположном желаемому движению. Если вам интересно физическое объяснение этого явления, на сей счет у нас есть третий закон Ньютона: сила действия равна силе противодействия. Дело не в том, что пули отталкиваются от воздуха и поэтому санки приходят в движение. В вакууме вы бы ехали еще быстрее. То же самое происходит в вакууме и с ракетным двигателем.

Поскольку ось Земли наклонена, по мере вращения планеты вокруг Солнца меняются времена года. А значит, места, где лучше всего кормиться и размножаться, все время разные, в зависимости от сезона. Перемещения на большие расстояния требуют затрат, но многие животные готовы на это ради того, чтобы найти места с более благоприятной погодой. И разумеется, более благоприятная – это не обязательно та, которую мы, люди, считаем подходящей для летнего отдыха. Киты мигрируют из теплых краев, где спариваются, в более прохладные воды, где течения обеспечивают больше питательных веществ для их пищевой цепочки. Крылья позволяют птицам покрывать огромные дистанции. Мигрируют многие виды птиц, однако рекорд расстояния принадлежит полярной крачке, которая ежегодно преодолевает путь в 20 тысяч километров от Северного полярного круга, где птицы спариваются, до Южного полярного круга и обратно. Дорога занимает всего два месяца. Такие колоссальные расстояния за столь короткое время можно покрыть только по воздуху. Полярная крачка получает два лета в году без ветров, и этот яркий пример показывает, почему мигрирующих видов животных так много.

МИРОВОЙ РЕКОРДСМЕН ПО МИГРАЦИИ

Полярная крачка перелетает от полюса до полюса и никогда не видит зимы – только два полярных лета на расстоянии в 20 тысяч километров друг от друга.

Многие мигрирующие животные проявляют чудеса навигации и совершают настоящие подвиги выносливости. Европейские ласточки зимуют в Африке, а на следующее лето возвращаются в ту же точку, в свое собственное гнездо. Как птицам такое удается, долгое время оставалось тайной, и только сейчас ее начинают разгадывать. Орнитологи надевают на лапки птиц специальные колечки, которые снабжены миниатюрными GPS-передатчиками. Для отслеживания курса больших стай перелетных птиц использовались даже радары. Мы начинаем понимать, что у птиц есть несколько приемов навигации, и разные виды на разных стадиях миграционного процесса предпочитают разные сочетания методов. Свою роль играют и ориентиры на местности, особенно на последних этапах пути, когда они возвращаются в старое гнездо. Но и во время долгого путешествия птицы следуют течению рек, побережьям и горным хребтам. Многие виды организуют миграцию так, чтобы молодых во время первого перелета сопровождали старшие и более опытные. Птицы пользуются не только ориентирами на местности, но и встроенными компасами. Уже установлено, что некоторые виды ощущают магнитное поле Земли. Как именно они видят и чувствуют, куда указывает компас, не всегда понятно, но сам факт уже доказан. Причем слово “видеть” здесь, вероятно, вполне уместно, поскольку главенствующая на сегодня теория гласит, что этот аппарат находится в глазном яблоке птицы.

“И ВСЕ, ЧТО МНЕ НУЖНО, – КРАСАВЕЦ-КОРАБЛЬ, ДА СВЕТ ПУТЕВОДНОЙ ЗВЕЗДЫ”^[2]

Проведите воображаемую линию вверх через две звезды в широкой части ковша Большой Медведицы, которые расположены дальше всего от ручки, и продолжайте ее до первой яркой звезды. Это и будет Полярная звезда.

Давно известно, что перелетные птицы (как и насекомые, и другие животные) пользуются солнцем как компасом. Разумеется, солнце меняет видимое положение в небе – утром оно на востоке, а к вечеру переходит на запад, в полдень проходя юг (или север, если вы в Южном полушарии). Это означает, что перелетная птица может ориентироваться по солнцу, только если знает, который час. А внутренние часы у всех животных действительно есть. Более того, они есть в каждой клетке. Именно внутренние часы вызывают у нас желание заниматься теми или иными делами, есть или спать в определенные часы дня и ночи. Исследователи во время экспериментов помещали людей в подземные бункеры, полностью отрезанные от всего мира. Люди продолжают вести обычную повседневную жизнь – засыпают и просыпаются, включают и выключают свет, едят и так далее в пределах 24-часового ритма. На самом деле это не ровно 24 часа, а, например, на 10 минут больше, и поэтому суточный ритм постепенно перестает соответствовать смене дня и ночи во внешнем мире. Вот почему эти ритмы называются циркадными (от circa diem, лат. – около дня), а не просто, скажем, дианными (от dies, лат. – день). При нормальных обстоятельствах циркадные часы перезапускаются при виде солнца. Перелетные птицы, как и все животные, снабжены такими часами, которыми и пользуются, если нужно ориентироваться по солнцу как по компасу.

Некоторые перелетные птицы летают ночью, и они умеют читать звезды. Большинство из нас знает, что Полярная звезда стоит практически точно над Северным полюсом, независимо от вращения Земли. Поэтому в Северном полушарии вполне можно полагаться на Полярную звезду как на компас. Но как узнать, которая из множества звезд – Полярная?

В детстве отец научил нас с сестрой массе всего полезного. Среди прочего он показал, как найти Полярную звезду, ориентируясь на ковш Большой Медведицы: нужно прочертить воображаемую линию вверх через две звезды, которые находятся дальше всего от ручки ковша, и вести ее до первой же яркой звезды. Это и есть Полярная звезда. По ночам можно прокладывать путь по ней, конечно, если дело происходит в Северном полушарии. Если же вы находитесь в Южном полушарии, придется прибегнуть к более сложным методам: над Южным полюсом нет никакой удобной яркой звезды, созвездие Южного Креста совсем не так близко от полюса. К этой задаче мы еще вернемся.

Как же летающие ночью птицы различают звезды, даже если они мигрируют в Северном полушарии, где к нашим услугам всегда есть Полярная звезда? Теоретически они могли получить карту звездного неба по наследству записанной в генах, но это несколько надуманно. Есть более правдоподобный способ, и благодаря блестящей серии экспериментов Стивена Эмлена из Корнельского университета мы знаем, что именно к нему прибегают североамериканские индиговые овсянковые кардиналы.

Индиговые овсянковые кардиналы такого красивого синего цвета, что их можно с полным правом называть Синими птицами. У нас в Британии никого подобного не водится, хотя какие-то синие птицы упоминаются в песенке “Английский деревенский садик” на веселый танцевальный мотив. (Кстати, в Австралии как раз встречаются птицы великолепного синего цвета.) В одной военно-патриотической песне поется о синих птицах, кружащих над белыми скалами Дувра^[3]. Это было бы красиво, если бы так поэтически обыгрывалась синяя униформа королевских ВВС, но, вероятно, американский поэт не знал, что в Британии нет ни одной птицы с синим оперением. А может быть, это была просто поэтическая вольность.

Индиговые овсянковые кардиналы мигрируют на дальние расстояния и летают по ночам. Если посадить такую птицу в клетку, в сезон миграции она будет биться о прутья с той стороны, в которую полетела бы на воле. Доктор Эмлен изобрел метод, позволяющий точно измерить, насколько птицы предпочитают ту или иную сторону, при помощи специальной круглой клетки: ее нижняя часть представляет собой воронку, выстланную белой бумагой, а на дне лежит штемпельная подушка, на которую птицы часто садятся. Птицы взлетают вверх по конусу, и чернильные отпечатки лапок отмечают предпочитаемое направление. С тех пор это устройство применяют и другие исследователи миграции птиц, и оно стало известно как воронка Эмлена. Оказалось, что осенью кардиналы явно выбирают южное направление, что соответствует их нормальной миграции к местам зимовок в Мексике и на островах Карибского моря. Весной они подлетают ближе к северной стороне воронки Эмлена, что соответствует их обычному возвращению в Канаду и северную часть США.

НЕПОДВИЖНЫЕ, КАК ПОЛЯРНАЯ ЗВЕЗДА?

Чернильные отпечатки лапок индиговых овсянковых кардиналов на стенках воронки Эмлена показывают, в каком направлении птица желает мигрировать (масштаб не соблюден).

Эмлен был в выгодном положении – он имел возможность поместить клетку с воронкой в планетарий. Он проделал серию увлекательных опытов с искусственной картой звездного неба, которую так или иначе изменял. Таким образом он сумел доказать, что индиговые овсянковые кардиналы и правда ориентируются по звездам, особенно по звездам поблизости Полярной звезды, в том числе по созвездиям Большой Медведицы, Цефея и Кассиопеи (не забывайте, эти птицы живут в Северном полушарии).

Пожалуй, самым интересным из экспериментов Эмлена в планетарии был ответ на вопрос, откуда птицы знают, на какие звезды ориентироваться. Эмлен не верил, что карта звездного неба передается птицам по наследству. Он считал, что молодые птицы перед перелетами долго наблюдают вращение неба по ночам и усваивают, что один его участок практически неподвижен, поскольку звезды в нем находятся близко к оси вращения. Этот метод помогал бы им, даже если бы Полярной звезды не существовало: они все равно узнавали бы тот участок неба, который сохраняет неподвижность, и это был бы север. Или юг, если речь идет о птицах Южного полушария.

Свою мысль Эмлен проверил при помощи изобретательного эксперимента. Он вырастил птенцов, а пока они росли, показывал им звезды только в планетарии. Одни птицы видели в планетарии ночное небо, вращавшееся вокруг Полярной звезды. Осенью их проверили в клетке-воронке, и они показали, что предпочитают нормальное направление миграции. Другую группу птенцов растили по-другому: они тоже видели только звезды из планетария, но Эмлен отрегулировал механизм так, что ночное небо вращалось не вокруг Полярной звезды, а вокруг Бетельгейзе, другой яркой звезды (левое плечо Ориона, если вы живете в Северном полушарии, и его правая нога – если в Южном). Когда в дальнейшем этих птиц поместили в клетку-воронку, они относились к Бетельгейзе как к настоящему северу и, ориентируясь по ней, предпочитали неверное направление.

Но следует подчеркнуть, что карта и компас – это разные вещи. Чтобы лететь, предположим, на юго-запад, нужен только компас. Но почтовому голубю одного компаса мало, нужна еще и карта. Почтовых голубей сажают в корзину, увозят куда заблагорассудится и выпускают. И они летят домой с такой скоростью, что у них наверняка должен быть способ понять, где их выпустили. Более того, ученые, ставившие опыты с почтовыми голубями, не просто учитывали, удалось ли птице благополучно попасть домой. Нередко, выпустив птицу, они следили за ее полетом в бинокль и отмечали, в каком направлении она летела, когда скрылась из виду. Почтовые голуби в большинстве случаев исчезали в направлении дома, даже если были так далеко, что не могли пользоваться знакомыми ориентирами.

“Я ЗНАЮ, ГДЕ Я, И ЗНАЮ, КУДА ЛЕЧУ”^[4]

Почтовому голубю нужен не только компас, но и карта.

До изобретения радио военные при помощи почтовых голубей обменивались сообщениями. Во время Первой мировой британская армия устраивала голубятни в переделанных лондонских автобусах. Во время Второй мировой немцы выпускали специально обученных ястребов, чтобы перехватывать британских почтовых голубей. Это стало началом орнитологической битвы – британские военные получили приказ отстреливать ястребов.

Итак, компаса почтовому голубю недостаточно. Прежде всего птице нужно понять, где она находится. Вообще любой перелетной птице нужна карта, чтобы сверяться с ней, если ветер собьет ее с курса. Более того, исследователи нарочно мешали перелетным птицам следовать курсом – ловили их во время перелета и выпускали в другом месте – например, на 150 километров восточнее. Птицы вместо того, чтобы продолжать лететь по компасу, из-за чего они оказались бы на 150 километров восточнее точки назначения, все равно умудрялись попасть в место назначения. Вероятно, умение корректировать курс впоследствии эволюционировало у птиц в умение находить дорогу домой задолго до того, как люди изобрели корзины, машины и поезда.

Предлагались самые разные теории птичьих “карт”. Несомненно, для опытных птиц важны ориентиры на местности. Есть данные, что для них значимы и запахи – тоже своего рода ориентиры. Теоретически они могли бы пользоваться инерционной навигацией, но это не очень практично. Когда сидишь в машине, даже если у тебя завязаны глаза, чувствуешь, как она разгоняется и тормозит (однако равномерное движение не ощущается, напоминает нам Эйнштейн), в том числе при смене направления. Можно представить, что голубь, сидящий в темной корзине, складывает в уме все разгоны и торможения, все левые и правые повороты, пока машина везет его из родной голубятни туда, где его предстоит выпустить. Теоретически птица могла бы после этого вычислить, где находится место, где его выпустили, относительно родной голубятни.

Теорию инерционной навигации проверил ученый Джеффри Мэтьюз. Он посадил голубей в светонепроницаемый барабан и вращал его все время, пока вез их из голубятни к месту, где намеревался выпустить. Даже после пережитого бедняжки сумели найти дорогу домой. Это делает теорию инерционной навигации маловероятной. Здесь я должен вступиться за ученого. В одной популярной книге предполагалось, что это экспериментальное устройство было передвижной бетономешалкой – наверняка вы видели, как они мерно вращаются на шасси грузовика. Этот яркий образ вполне соответствует чувству юмора доктора Мэтьюза, но на самом деле устройство выглядело не так.

А ЕСЛИ МОРЕХОДЫ ЗАНОВО ОТКРЫЛИ ТЕХНОЛОГИЮ, ИЗВЕСТНУЮ ПТИЦАМ?

Может быть, почтовые голуби применяют что-то похожее на морской секстант? Это не самая глупая мысль, но она нуждается в более надежных доказательствах.

Люди умеют рассчитывать свое местоположение по результатам астрономических измерений. Мореходы издавна для этого применяли секстанты. Во время Второй мировой войны мой дядя, которому не разрешалось знать, где сейчас находится его подразделение, проявил недюжинную смекалку и смастерил секстант, чтобы выяснить секретные сведения. Его едва не арестовали как шпиона.

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МОРСКОЙ ХРОНОМЕТР ХАРРИСОНА

Какая тонкость деталей, какая отточенная сложность механизма – и каждое крошечное усовершенствование устраняет погрешность еще в несколько миль, которая могла бы стать роковой ошибкой в навигации! Казалось бы, перелетным птицам такая точность не нужна (им не грозит кораблекрушение), но как же они ее добиваются?

Секстант – это инструмент, измеряющий угол между двумя точками, например, между солнцем и горизонтом. Зная этот угол в локальный полдень, можно вычислить свою широту, но при этом надо знать, когда именно настает локальный полдень, а это зависит от долготы. Если у тебя есть точные часы, которые показывают точное время на какой-то опорной долготе, например, на Гринвичском меридиане (или в родной голубятне, если ты голубь), их показания можно сравнить с местным временем, и это теоретически позволит вычислить свою долготу. Но откуда голубь знает, который час в точке, где он находится?

Тот же Джеффри Мэтьюз предположил, что птицы замечают не только высоту солнца, но и его дуговое движение за отрезок времени. Для этого им необходимо некоторое время наблюдать за солнцем, чтобы экстраполировать дугу. Казалось бы, маловероятно, но эксперименты Эмлена показывают, что молодые овсянковые кардиналы проделывают что-то похожее, когда определяют, какой участок неба находится в центре вращения. А ученик Мэтьюза Эндрю Уайтен провел в лаборатории эксперименты на голубях, результаты которых показали, что эти птицы вполне способны на такие же чудеса наблюдательности.

Экстраполируя дугу видимого движения солнца, голуби теоретически могли бы рассчитать, где будет (или было) солнце в самой высокой точке в локальный полдень. Мы уже знаем, что высота солнца в зените указывает им, на какой широте они находятся. А горизонтальное угловое расстояние от предполагаемого зенита указывает на локальное время. Если они сравнят это локальное время со временем на своих внутренних часах, то есть со временем в родной голубятне (личным Гринвичем), это даст им долготу.

Увы, даже крошечная погрешность часов приводит к большим ошибкам в навигации. Великий мореплаватель Фернан Магеллан в свое первое плавание вокруг света взял 18 песочных часов. При использовании их в навигации погрешность была огромной. В XVIII веке британское правительство объявило конкурс с солидной денежной премией тому, кто изобретет морской хронометр – точные часы, которые не отставали бы и не забегали бы вперед даже в качку, которую маятниковые часы не выдерживают. Награду получил йоркширский плотник Джон Харрисон. И хотя у почтовых голубей действительно есть внутренние часы, они не идут ни в какое сравнение ни с хронометром Харрисона, ни даже с песочными часами Магеллана. С другой стороны, перелетной птице, возможно, и не нужна такая точность, как мореходу, который из-за неверных расчетов рискует угодить на рифы.

Чтобы разгадать загадку дальних перелетов птиц, были предложены и другие астрономические теории, такие же общие, как и гипотеза Мэтьюза.

Какими еще картами могут пользоваться птицы? Возможно, картами, основанными на магнетизме: известно, что по ним ориентируются акулы. У разных точек поверхности Земли свои магнитные характеристики. Поясню на наглядном примере. Эта теория опирается на то, что магнитный северный полюс (или южный) не вполне совпадает с истинным Северным полюсом (или Южным). Магнитный компас измеряет магнитное поле Земли, которое лишь приблизительно согласуется с осью вращающейся планеты. Это расхождение между магнитным и истинным севером называется магнитным склонением, и все пользователи компасов, которым нужна точность, вынуждены его учитывать. Магнитное склонение разное в зависимости от места (и времени: из-за движения ядра Земли магнитные полюса с течением столетий иногда меняются местами). Если вы можете измерить склонение, например, измерив угол между Полярной звездой и стрелкой магнитного компаса, указывающей на север, значит, вы можете вычислить, где вы находитесь (также опираясь на интенсивность магнитного поля). Это и будут магнитные характеристики, которые мы ищем.

Есть поразительные данные, что на такое способны тростниковые камышовки, которые водятся в России. В ходе экспериментов с этими птицами в воронках Эмлена ученые искусственно сдвинули магнитное поле на 8,$°. Если бы птицы просто ориентировались по магнитному компасу, предпочитаемое направление их взлета в воронке сместилось бы на ту же величину. Однако на самом деле смещение составило 151°. Сдвиг магнитного поля на 8,5°, который повлиял бы на расчеты на основе магнитного склонения, сообщил им, что они уже не в России, а в Абердине! И, представьте себе, направление, которое они предпочли в воронке Эмлена, было тем самым, которое они должны были бы избрать, если бы очутились в Абердине и хотели попасть в ту же конечную точку, что и обычно. Характеристики магнитного поля в принципе могут быть любыми, не обязательно абердинскими. Этот эксперимент – большой шаг к пониманию, что магнитное чувство может не ограничиваться показаниями компаса. Мне кажется, это до того прекрасно, что даже не верится.

Никто не предполагает, будто птицы осознанно проделывают сложные расчеты, которых требовала бы теория навигации по солнцу Мэтьюза. У птиц нет аналога пера и бумаги, нет таблиц магнитного склонения и силы магнитного поля. Когда во время игры в крикет или бейсбол ловишь мяч, мозг проделывает эквивалент решения сложных дифференциальных уравнений. Но сознание об этом не подозревает и не участвует в том, как мы контролируем ноги, глаза и руки, готовые схватить мяч. Вот и у птиц так же.

Крылатые животные могут попадать и на острова, на некоторых отдаленных нередко нет млекопитающих. Либо единственными млекопитающими (кроме тех, кого завезли люди) оказываются летучие мыши. Почему летучие мыши? Естественно, потому что у них есть крылья. Не считая летучих мышей, такие острова, как правило, принадлежат не млекопитающим, а птицам. Там мы часто обнаруживаем, что птицы монополизируют даже наземные угодья, обычно населенные млекопитающими. Птица киви, символ Новой Зеландии, добывает себе пропитание совсем как наземное млекопитающее, хотя ее предки летали. Киви – типичные островные птицы, у которых атрофировались крылья, так что они больше не летают, – об этом мы поговорим в следующей главе. Однако именно крылья обеспечили им возможность оказаться в нынешнем ареале обитания.