Живое и неживое. В поисках определения жизни - Карл Циммер

«Все жизненные механизмы, каким бы разнообразием они ни отличались, имеют только одну цель, а именно поддержание постоянства условий жизни во внутренней среде», – писал французский биолог Клод Бернар в 1865 г. Ученый заметил, что наша внутренняя среда преимущественно водная. Когда запасы воды в нашем организме начинают иссякать, мы чувствуем жажду, побуждающую нас восполнить их. В 1926 г. гарвардский физиолог Уолтер Кеннон доработал идею Бернара и дал ей современное название: гомеостаз.

Гомеостаз не материальный объект, который можно взвесить или пощупать. Это не определенный набор атомов, образующий молекулу вроде ДНК или белков. Скорее, это организующий принцип, который обнаруживается повсеместно в мире живого и проявляется одновременно на множестве уровней. У летучей мыши[137] он действует в клетках, органах – даже при полете.

Немногим доводилось наблюдать этих зверьков во время спячки в пещерах, зато многие видели, как они в теплый вечер носятся в сумерках за комарами или поденками. Когда небо станет совсем темным, летучие мыши продолжат свой полет, невидимые во тьме, способные преодолевать сотни километров за одну ночь. Они остаются в воздухе благодаря полетной разновидности гомеостаза.

Летучие мыши передвигаются в атмосфере, размахивая своими исполинскими перепончатыми ладонями. Опуская их, животные создают в окружающем воздухе циркулирующие вокруг крыльев вихревые потоки, а поднимая, всякий раз сбрасывают назад порции воздуха, подобные вращающимся невесомым пончикам. Физика этих вихрей настолько сложна, что ученые пока еще мало понимают даже их базовые принципы. Но результат очевиден: давление сверху падает, а снизу растет, в итоге возникает подъемная сила крыла.

Меняя частоту взмахов, расставляя или сжимая свои длинные, похожие на шесты пальцы, сокращая одни мышцы крыла и расслабляя другие, придавая форму невидимым воздушным пончикам позади себя, летучая мышь буквально упраздняет гравитацию. Она как бы зависает на месте. А если мышь меняет наклон крыльев, то часть этой подъемной силы обращается в тягу, бросающую ее вперед. Северная ночница и другие насекомоядные рукокрылые преследуют добычу, издавая писк и прислушиваясь к отраженному от окружающих объектов эху. Многие виды, на которые они охотятся, развили способность слышать эхолокацию мыши и резко менять направление, пытаясь увернуться. Но зверьки в состоянии продолжать погоню, складывая пальцы и круто сворачивая вслед за добычей.

В полете летучая мышь постоянно рискует растерять свои воздушные вихри и камнем упасть на землю. В воздухе ее удерживает гомеостаз. Один из секретов подобной устойчивости – в расположении мельчайших волосков на почти голых крыльях животного. Волоски колеблются под воздействием окружающих воздушных потоков, и их трепет переводится на язык электрических импульсов, поступающих в мозг летучей мыши. Зверек способен улавливать сигналы, предупреждающие о том, что есть опасность потерять вихревые потоки, и тогда он должен отрегулировать форму и изгиб своих крыльев так, чтобы оставаться внутри этих потоков.

Летучим мышам постоянно достается из-за неожиданных порывов ветра. Когда их стаи по вечерам вылетают из пещер, животные часто врезаются друг в друга. Так как рукокрылые очень малы – северная ночница весит не больше пустого конверта, подобные происшествия могут легко сбить их полет: заминка ведет к аварии.

Биолога Шарон Шварц заинтересовало, почему летучие мыши не валятся с неба на землю каждую минуту. В своей лаборатории в Брауновском университете она со студентами снимала мышей в полете на скорости сто кадров в секунду. Чтобы изучить, как животные справляются с порывами ветра, экспериментаторы установили трубу, которая обдавала пролетающих зверьков воздушной струей. Струя, попадающая на крыло, разворачивала тельце летучей мыши примерно на 90°.

Исследовательница обнаружила, что испытуемые возвращались в нормальное положение менее чем за 0,1 с. Внимательный просмотр записей раскрыл их секрет. Если воздушная струя заставляла летучую мышь повернуться влево, та расправляла правое крыло, искусственно вызывая обратное движение. По мере того как тельце зверька выравнивалось, вращательные силы обоих крыльев идеально нейтрализовывали друг друга. Равновесие восстанавливалось.

Эта стратегия знакома инженерам. В частности, она используется в автомобильном круиз-контроле. Когда водитель включает это устройство, двигатель не просто совершает заданное число оборотов в секунду. Он постоянно регулирует свой темп, улавливая ускорение. Если машина катится под гору, сенсоры заставляют ее замедлить ход. Как только скорость автомобиля снижается больше, чем надо, он плавно набирает ее снова. Такой принцип называется у инженеров контуром отрицательной обратной связи (ООС). Он помогает системам сохранять стабильность, возвращая их в заданную точку всякий раз, когда равновесие нарушается.

Летучие мыши используют контуры ООС не только при полете, но и для поддержания химического равновесия в организме. Уровень сахара в их крови сохраняет исключительную стабильность – неважно, объедаются они насекомыми, сжигают энергию в полете или постятся во время сна. Когда этот уровень поднимается, выброс инсулина заставляет клетки зверька отложить излишек сахара про запас. Если же он немного падает, клетки отдают обратно столько, сколько нужно для восстановления баланса, и не больше.

У летучих мышей есть и другие контуры ООС – для поддержания уровня соли, калия, кислотности. Подобно людям и другим позвоночным, рукокрылые обладают системой кровообращения с сердечным мотором, а для его работы необходимо постоянное давление. Чтобы удерживать давление на заданном уровне, зверьки используют контур ООС, принуждающий кровеносные сосуды то расслабляться, то сжиматься. Так же поддерживается и постоянная температура тела. Перегреваясь, летучие мыши могут усиливать приток крови к коже, чтобы сбросить лишнее тепло в воздух, а замерзая – сжигают жир, чтобы раздуть свой метаболический костер.

Рукокрылые возникли около 60 млн лет назад, когда на планете было так тепло, что в Антарктиде росли леса. В настоящее время большинство из 1300 видов современных летучих мышей обитает в тропиках. Но некоторые, к примеру ночницы, которых мы видели в шахте под поселком Гаага, приспособились к жизни в более высоких широтах, где им приходится переживать долгие зимы – не ловить насекомых, не пить нектар, не лакомиться фруктами. Что еще хуже, низкие зимние температуры требуют дополнительных затрат энергии на обогрев тела.

Для выживания в этих негостеприимных краях летучие мыши развили необычайную стратегию, которую используют также бурые медведи и суслики: спячку. Иными словами, они перезапускают свой гомеостаз согласно новым установочным параметрам.