Арик Кершенбаум - Путеводитель зоолога по Галактике. Что земные животные могут рассказать об инопланетянах — и о нас самих

Эволюционное стремление добычи спастись от хищников, а хищника — поймать добычу завязаны в порочный круг, часто именуемый эволюционной гонкой. Если антилопа быстрее гепарда, она выживет, чего нельзя сказать о гепарде. Поэтому хищники должны ускоряться сами, тогда антилопы, в свою очередь, оказываются под мощным давлением отбора на скорость, и т. д. Где же предел? Может ли существовать планета, на которой хищники и их добыча бегают со сверхзвуковой скоростью? Возможно ли, что предела нет, и животные будут ускоряться, пока не достигнут скорости света? Разумеется, это невозможно.

Одно из самых фундаментальных правил естественного отбора — будь то на Земле или в любом другом месте Вселенной — необходимость сохранения баланса между выгодами и издержками. Усовершенствование способностей в одной области неизменно сокращает возможности в другой. На элементарном уровне запас энергии ограничен, и эту энергию можно использовать либо для того, чтобы быстрее разгоняться, либо на производство потомства. Нетрудно представить, что в мире, где гепарды и антилопы расходуют всю энергию на быстрый бег, особь, которая бегает чуть медленнее, но оставляет больше потомства, получит преимущество. В конечном итоге в игру рано или поздно вступят другие ограничения и нивелируют преимущества чересчур развитых признаков. Если такие признаки все же обнаруживаются, то лишь потому, что баланс выгод и издержек очень сильно смещен в одну сторону, например, в случае, если затраты животного на такой феноменальный разгон невероятно малы или угроза от хищников невероятно велика.

Мысленный эксперимент на тему возможности появления сверхзвуковых антилоп на другой планете служит иллюстрацией к другому важному принципу естественного отбора: на каждой ступени эволюционного пути должны накапливаться осязаемые выгоды. Достичь сверхзвуковых скоростей — особенно непростая задача, потому что при приближении к звуковому барьеру в любой среде, в которой вы передвигаетесь (на Земле это обычно воздух или вода), возникает ударная волна, которая рассеивает большую часть энергии, используемой животным. Поэтому еще до того, как вы достигнете сверхзвуковой скорости, ваше движение становится крайне неэффективным — большая часть усилий уйдет в ударные волны, а не в ускорение. Конечно, человеческие инженеры это рассчитали и догадались, что стоит только перейти звуковой барьер, как затраты оправдают себя; именно это и сделал в 1947 г. Чак Йегер на самолете Bell X-1 с ракетным двигателем. Но естественный отбор не знает «что будет, если», он не обладает предвидением. Если животному невыгодно мчаться со скоростью, близкой к скорости звука, оно никогда не сможет двигаться быстрее звука.

На Земле скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с — это более чем десятикратно превышает предельную скорость гепарда и даже втрое больше скорости, с которой падает камнем сокол-сапсан, самое быстрое животное на планете. Но двигаться в воздухе гораздо легче, чем в воде. Скорость рыбы-парусника — 30 м/с — сопоставима со скоростью гепарда, но скорость звука в воде 1500 м/с, так что на нашей планете морские животные еще дальше от сверхзвуковых скоростей. Чем плотнее жидкость или газ, тем больше сопротивление среды и тем меньше вероятность, что животное когда-либо разовьет сверхзвуковую скорость. Даже на других планетах, где жизнь может существовать в иных жидких средах (например, метане), шансы на появление сверхзвукового существа, по-видимому, ничтожны. Единственный известный способ двигаться быстрее звука — за счет реактивной тяги в газообразной среде — мог бы быть и единственным возможным эволюционным путем для животных. Но их эволюция и в этом случае была бы ограничена необходимостью получать реальный прирост пользы на каждом этапе, при каждом приращении скорости. Иначе такая способность появиться не может.

Дабы убедиться в том, что мы составили полный список всех возможных способов передвижения животных на других планетах, нам нужен строго системный подход. Чтобы понять, как возникли приспособления, позволяющие преодолевать конкретные трудности, можно использовать земные примеры. Что касается способов передвижения, наблюдаемых на Земле, — а к ним, вполне вероятно, сводится большинство возможных вариантов, — можно рассмотреть, как эти способы возникли в ходе эволюции, какие факторы окружающей среды сделали их полезными для тех или иных животных и почему их эволюция не пошла дальше. Это позволит нам составить хорошее представление о возможных способах передвижения на других планетах и о том, в силу каких условий одни из них получают преимущество над другими. К счастью, факторы, ограничивающие эти способы, весьма просты и привязаны к законам физики, которые, разумеется, одинаковы на всех планетах.

Исаак Ньютон заявил, что ускорения не бывает без силы, и этот элементарный факт лежит в основе всего движения животных. Если вы не приложите силу, вы не сможете прийти в движение. Это очевидно, когда вы наблюдаете, как утка на замерзшем пруду отчаянно загребает по льду лапами, не в состоянии двинуться с места, но уже не столь очевидно, когда утка расправляет крылья и взлетает, как будто не задумываясь о том, к чему именно она прикладывает силу. В действительности контраст между движением по твердой поверхности и движением в неплотной среде наподобие воды или воздуха — ключ к нашей классификации гипотетических способов передвижения.

Начнем с некоторых определений и базовых разграничений. Пространство либо заполнено чем-то, либо нет. Оставим пока вопрос о движении в вакууме и подумаем, чем может быть заполнено пространство, в котором нужно передвигаться. Может понадобиться пройти сквозь твердую среду, если вы крот или дождевой червь, — к этому мы вернемся позже, поскольку вопрос, действительно ли кроты и дождевые черви передвигаются в «твердой» среде, не столь однозначен, как кажется. Но если вещество, заполняющее пространство, не твердое, то оно может быть только текучим. Движение, как правило, происходит в текучих средах, и понятно почему (в них двигаться легче, чем в твердых). Термин «текучий» относится ко всему, что течет, — то есть среда обтекает вас, когда вы движетесь сквозь нее, и это существенно упрощает движение. Как жидкости, так и газы текучи, пусть в быту мы и применяем это слово только к жидкостям, а не к газам. Но газы, безусловно, обтекают движущееся тело, и для обсуждаемой нами проблемы это имеет важное значение.

Между жидкостью и газом существуют два основных отличия. Во-первых, жидкости обычно (хотя и не всегда) более вязкие и плотные, чем газы. Они больше сопротивляются движению, что может быть как неблагоприятным (замедляет движение), так и полезным фактором, поскольку жидкость обеспечивает опору, от которой можно оттолкнуться. Задумайтесь, как просто плавать в воде и насколько сложнее сдвинуться с места, просто размахивая руками в воздухе! Второе различие состоит в том, что газы расширяются, стремясь заполнить полость, в которой они находятся, а жидкости скапливаются на дне. Из этого правила есть исключения, но сам принцип важен — он подразумевает, что у жидкости чаще всего имеется поверхность, и граница между поверхностью океана и воздухом над ней, как мы теперь знаем, сыграла чрезвычайно важную роль в эволюции жизни на Земле.