Бежать, чтобы жить

Эволюционные процессы в живой природе так сложны и разнообразны, в них вовлечено столько факторов, что ставить быстроту однозначно выше других стратегий выживания и развития неверно. Однако эволюция способов максимально быстрого перемещения в пространстве заслуживает пристального внимания. Остановимся на нескольких любопытных вехах гонки, длящейся в животном мире планеты уже миллиарды лет.

БЕЛЫЕ И КРАСНЫЕ

В ходе эволюции древние организмы становились все сложнее, усложнялись и системы, обеспечивающие их передвижение. Животные вышли из моря на сушу, земноводные постепенно уступили место рептилиям. Пресмыкающиеся, будучи в подавляющем большинстве хищниками, разумеется, пытались догонять тех, кого можно съесть, и убегать от тех, кто может съесть их самих. И тут возникли две проблемы — с костями и с мышцами. Дело в том, что у рептилий туловище как бы висит между конечностями, связки и мышцы которых испытывают постоянную нагрузку во всех положениях тела, кроме лежачего. Пресмыкающиеся получили свое русское название как раз из-за того, что большую часть времени вынуждены «пресмыкаться» — ползти, волоча тело по земле. А любая пробежка, например такая, на которую способны крокодилы, в погоне за жертвой развивающие скорость до 20 километров в час, сопряжена с огромной нагрузкой на мускулы и сухожилия. Мышцы же достались рептилиям в наследство от предков, живших в воде. Это по большей части «белая» мускулатура, такая же, как белое мясо куриной грудки, — бедная миоглобином и митохондриями, которые необходимы для переноса кислорода и энергии. Энергоснабжение сокращений в белой мускулатуре идет за счет бескислородного расщепления глюкозы до молочной кислоты. Скорость этой реакции почти не зависит от температуры, что очень удобно для существ, живущих в воде. Но накапливающаяся в результате молочная кислота очень быстро лишает «белые» мышцы способности к сокращению, а ее распад и «освобождение» мышц занимают несколько часов. То есть погнаться за кем-то можно, но долго преследовать или убегать никак не получится. В результате преимущество получали те, у кого было больше «красных», богатых миоглобином и митохондриями мышц: в них молочная кислота — это промежуточный продукт обмена, который в митохондриях разлагается кислородом до углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии.

Однако есть у «красной» мускулатуры и минусы. Для того чтобы в ней нормально протекали реакции, связанные с кислородом, нужна постоянная высокая температура, а значит, надо быть теплокровным и тратить большую часть получаемой с пищей энергии на обогрев собственного тела. Теплокровным требуется вдесятеро больше еды, чем холоднокровным того же веса. Поэтому там, где можно было сохранить «белую» мускулатуру, она осталась. К примеру, курам, которые не летают подолгу, она прекрасно служит для резкого «взрывного» ускорения, когда птице нужно, спасаясь от врага, взлететь на дерево.

Наши «красные» мышцы — сложная система с большой индивидуальной изменчивостью, и ее порой можно обратить к своей выгоде даже в потенциально проигрышных ситуациях. У советского чемпиона мира и двукратного олимпийского чемпиона по фехтованию Марка Ракиты было прозвище «Пьяная Черепаха». Он бегал в полтора раза медленнее коллег по сборной, нерасторопно перемещался по фехтовальной дорожке. Но, как оказалось, обладал намного превышающей норму скоростью мышечных сокращений и проведения нервных импульсов в руках. Благодаря мудрости тренера, Давида Тышлера, и собственному терпению Ракита овладел уникальным стилем интеллектуального фехтования, базирующегося на обманчиво медленном маневрировании, точном расчете момента атаки или контратаки и их молниеносном исполнении.

Самые быстрые мышцы в животном мире — те, что изменяют положение и натяжение голосовых связок у певчих птиц, например скворцов и амадин. Эти мускулы могут сокращаться до 250 раз в секунду.

Проблема со скелетом у древних рептилий была не менее острой. Быстро двигаться, когда мышцы заняты по большей части тем, чтобы не дать телу волочиться по земле, непросто. Нужно было подвести конечности под туловище, чтобы они заняли положение, знакомое нам по собственному опыту, а также легко узнаваемое при взгляде на птиц или млекопитающих. У всех этих животных нагрузка, создаваемая телом, ложится непосредственно на кости, а мышцы и связки разгружены и заняты только приведением конечностей в движение. По ряду анатомических причин подвести под тело задние конечности проще, нежели передние. И если с задними ногами часть пресмыкающихся сумела справиться достаточно быстро, то даже они все еще были ограничены передними, которые «тормозили» рептилий, не давая стать настоящими бегунами. Прорыв совершили архозавры — эти животные, эволюционно весьма продвинутые, вместо того чтобы менять пояс передних конечностей и подводить их под тело, просто встали на задние. Изобретение двуногого хождения оказалось настолько удачным, что архозавры 130 миллионов лет оставались главенствующей на Земле формой жизни. Причем если некоторые травоядные динозавры опускались обратно на четыре конечности, предпочитая надеяться на пассивную защиту — рога, панцирь и т. д., то все хищники были исключительно двуногими бегунами. У некоторых из них со временем передние конечности, ничем особо не занятые и потому свободные для эволюционных экспериментов, превратились в крылья. Современные архозавры, птицы, — абсолютные чемпионы скорости в животном мире. Самая быстрая птица, сокол-сапсан, пикируя, разгоняется до 300 с лишним километров в час!

БАКТЕРИИ С МОТОРОМ

Во времена, когда о костях и мускулах еще никто слыхом не слыхивал, в палеопротерозое, то есть 2,5 миллиарда лет назад, живые организмы уже совершенствовали свои скоростные навыки, разрабатывая подчас весьма причудливые формы передвижения. Некоторые из них верой и правдой служат микроорганизмам по сей день. Наиболее примитивным способом активного движения можно считать перекатывание, наблюдаемое у самых простых одноклеточных, например корненожек. Внутреннее содержимое клетки перетекает в тот или иной участок ее периферии и выпячивает внешний слой — эктоплазму. Получается вырост — псевдоподия. В его сторону «переливается» остальная клетка. Перекатился — захватил одноклеточное поменьше и усвоил. Не успел откатиться от более крупного — погиб.

Прорыв в скорости и маневренности движения произошел, когда одноклеточные научились отращивать жгутики и их более короткую разновидность — реснички. В простейшем варианте жгутик — это пассивно вращающаяся белковая нить. Более сложные жгутики, у более прогрессивных микроорганизмов, могут изгибаться самостоятельно. Жгутики приводятся в движение своеобразным мотором, аналог которого, причем куда менее совершенный, люди смогли создать только в XX веке. КПД этого поистине удивительного устройства у бактерий достигает 95%, и до воспроизведения его эффективности нам еще далеко. Моторчик в сочетании с развитыми жгутиками позволяет одноклеточным двигаться со скоростью 150 микрон в секунду, то есть за одну секунду бактерия покрывает расстояние, примерно в 100 раз превышающее ее длину. Для сравнения, если пересчитать относительно размеров тела, спринтер Усейн Болт, самый быстрый человек на свете, бегает в 10 раз медленнее! Основу бактериального мотора составляет ротор, вращающийся под действием электрического поля со скоростью несколько десятков оборотов в секунду. По существу это электродвигатель субмикронного размера, собранный из нескольких белковых молекул. Бактериальный мотор, иначе называемый протонным, работает за счет разности потенциалов снаружи и изнутри бактерии, что обеспечивается «закачкой» внутрь клетки положительно заряженных ионов водорода или натрия. Тормозятся жгутики за счет своеобразного «сцепления», отдаленно напоминающего то, что позволяет разрывать связь между колесами и двигателем в автомобиле.

Есть и такие бактерии — они живут в кишечнике термитов в симбиозе с другими простейшими, — которые, генерируя ток, заставляют двигаться жгутики симбионтов, сотнями прилепляющихся снаружи к «существу-мотору». Собственных жгутиков у него нет, но оно умеет синхронизировать движение снабжаемых энергией симбионтов.

ШУСТРЫЕ ВЫИГРЫВАЮТ

Минули эпохи, и на вершину эволюционной лестницы поднялись млекопитающие. В их истории были времена, когда скорость передвижения становилась главнейшим фактором выживания. Особенно ярко это проявилось, наверное, в двух случаях. Когда динозавры еще царствовали повсеместно, у млекопитающих не было шансов помериться с ними силой. Любой, кто позволил бы себе стать большим и медлительным, был бы немедленно съеден. Поэтому заря млекопитающих осветила мелких, но шустрых зверьков, которые не представляли для ящеров большого интереса в качестве добычи, при этом в случае опасности были в состоянии мгновенно шмыгнуть в заросли, скрыться среди ветвей или камней. А по ночам, когда динозавры, большая часть которых не была по-настоящему теплокровными, остывали и делались медлительными, млекопитающие могли лакомиться яйцами и молодью рептилий.

Когда же динозавры сошли со сцены, млекопитающие на какое-то время «предались греху гигантизма». Однако в связи с изменениями климата и, как следствие, ландшафтов гигантам становилось все труднее прокормиться. Травоядным оказывалось выгоднее быть помельче, но сытыми. А мелкие должны быстро бегать, чтобы не быть съеденными. Хищникам тоже «пришлось задуматься» о сокращении размеров в пользу скорости, чтобы иметь возможность догонять измельчавшую добычу. Это, конечно, крайне упрощенное описание происходивших процессов, но в целом суть их сводится к тому, что млекопитающие, особенно живущие на равнинах, были вынуждены стать превосходными бегунами.

Какие же адаптации у млекопитающих способствуют быстрому бегу? Например, анатомические изменения конечностей. Глядя на плавник или лапу, легко понять, какому способу передвижения отдавали предпочтение предки того или иного организма и для чего он сам лучше приспособлен. Если сравнить нашу руку с передней ногой лошади, что бросится в глаза помимо копыта, которое тоже прекрасная адаптация к бегу? У нас предплечья мускулистые, поскольку наши относительно недавние обезьяньи предки были брахиаторами, то есть перемещались по деревьям, хватаясь руками за ветки. У копытных же предплечья — это фактически голые рычаги, кости и сухожилия, покрытые кожей. Вся мускулатура убрана наверх, чтобы максимально облегчить конечность, ведь чем она легче, тем проще выбрасывать ее вперед на бегу. Так же устроены и ноги псовых — типичных бегунов-стайеров. А вот у большинства кошек предплечья мускулистые, потому что они анатомически больше «лазатели» и охотники из засады, чем «бегуны». Исключением является гепард, который, адаптируясь к быстрому бегу, стал поразительно «собакоподобен»: приобрел облегченное строение конечностей, утратил втяжные когти и сверхгибкий позвоночник, предпочтя ему жесткую, но упругую конструкцию, к которой удобно крепить «заточенный» под бег мышечный корсет. В результате гепард стал непревзойденным спринтером, развивающим скорость свыше 110 километров в час.

Будучи анатомически «собакоподобен», гепард далеко превзошел «прототип». Ведь даже быстрейшие из собак, грейхаунды, никогда достоверно не превышали скорость 67,32 километра в час.

Однако вести долгую погоню не может и гепард: кошачье сердце слишком маленькое, чтобы обеспечить кровообращение с интенсивностью, необходимой для долгого бега. Кстати, пример этой кошки хорошо показывает, как более мелкие, но шустрые виды вытесняли крупных, но медленных собратьев. В плейстоцене в Евразии обитал гигантский гепард Acinonyx pardinensis — принадлежавший к тому же роду, что и современный, он был значительно крупнее: почти метр в холке, до 100 килограммов веса, то есть размером со льва, но изящнее. Это был хищник, специализирующийся на скоростной погоне, однако, судя по более примитивному строению голени, нежели у нынешнего гепарда, и большей массе, бегал он вряд ли быстрее 90–100 километров в час. Конкурируя с пещерным львом и европейским ягуаром, он не мог полностью сосредоточиться на крупноразмерной добыче, вроде лосей и оленей, а с мелкими копытными гораздо лучше управлялся появившийся гепард современного типа, которому выигрыш в скорости в 10–20 километров в час обеспечил победу над гигантским собратом.

Аналогичная история произошла, когда за пищевые ресурсы, обедневшие в связи с вымиранием мегафауны (мамонтов, большерогих оленей, шерстистых носорогов, гигантских верблюдов), начали конкурировать ужасный волк (Canis dirus) и пришедший в Северную Америку из Евразии серый волк. Ужасный волк намного превосходил серого размером, однако уступал в длине ног и в целом был животным массивным и хуже приспособленным к погоне за шустрыми копытными, не носившими эпитета «гигантский». Прокормиться же мышкованием и охотой на кроликов такому крупному животному было не под силу. Ужасный волк исчез, оставив прерии обычным волкам и койотам, около 10 тысяч лет назад. К тому же он, судя по найденным черепам, был ощутимо глупее современных волков. Большая подвижность и маневренность вообще при прочих равных требуют более развитого мозга. Высокий же интеллект — одна из лучших возможных адаптаций в условиях часто изменяющейся среды, поскольку позволяет приспосабливаться за счет изменения поведения, а не анатомии. А это — заметно быстрее.

ДВУНОГИЕ БЕЗ ПЕРЬЕВ

Нам, людям, не стоит печалиться из-за того, что мы не такие быстрые, как волки, а реакция у нас хуже кошачьей. Именно интеллект, качество и скорость мыслительных процессов обеспечили нам главенствующее положение на планете. То, что не в состоянии дать нам быстрые ноги, мы получаем стократ благодаря разуму. И в результате ни одному животному на Земле не удавалось разогнаться до таких фантастических скоростей, которыми оперируют люди.

Расчеты ученых показывают, что человек в принципе никогда не сможет бегать быстрее 40 с небольшим километров в час: мы анатомически и физиологически не способны преодолеть скоростной барьер, который легко преодолевает множество четвероногих. Но мы так любим скорость, упиваемся этим ощущением. И минимум 3200 лет назад (таков возраст древнейшей находки, сделанной в районе Одессы) люди изобретают коньки. Ныне действующий конькобежный рекорд установил американец Шани Дэвис, разогнавшийся в 2009 году до 54,2 километра в час. Но коньки можно использовать не всегда, а на юге и вовсе никогда. Не удовлетворенные резвостью своих ног, люди объезжают тех, кто умеет бегать быстрее: ослов, верблюдов и лошадей, — получая в свое распоряжение средство достичь скорости 50 километров в час и иногда даже больше. Но нам этого мало! Любимую забаву всех детей, катание с горки, взрослые превратили в спорт. Сейчас скорости на двух вершинах эволюции санного спорта — скелетоне и бобслее — достигают 130 и 150 километров в час.

Интеллект и любовь к быстрой езде подталкивали человечество к изысканию все новых и новых способов удовлетворения этой страсти. Наряду с войнами тяга к адреналину стала одним из важнейших факторов, стимулирующих прогресс техники (подробнее об этом см. в статье «Погоня за скоростью» на с. 36). В наше время каждому, даже не выдающемуся спортсмену вполне доступны такие удовольствия, как езда на спортбайке со скоростью 300 километров в час, пилотирование спортивного винтового самолета, мчащегося со скоростью 500–900 километров в час, или прыжок с парашютом, во время которого, в фазе свободного падения, можно ощутить, каково нестись вниз, достигая 200 и более километров в час.

Рекорд скорости свободного падения поставил в октябре 2012 года австрийский парашютист Феликс Баумгартнер, прыгнувший с воздушного шара на высоте 39 километров, — спортсмен-экстремал превысил звуковой барьер и разогнался до 1342,8 километра в час. Бывший военный, вертолетчик, увлекающийся боксом, мотокроссом, бейсджампингом и собирающийся работать горноспасателем экстремал, к моменту своего триумфа он уже поставил несколько рекордов в прыжках и полетах. Например, он первым перелетел через Ла-Манш на специальном карбоновом крыле. Прыжком из стратосферы Баумгартнер установил помимо скоростного еще три рекорда: наибольшая высота прыжка с парашютом, самая большая дистанция свободного падения, самый высокий пилотируемый полет на стратостате. А вот рекорд длительности свободного падения побить не удалось, он остался за американцем Джозефом Киттингером, который, кстати, помогал Баумгартнеру в подготовке к невероятному прыжку из стратосферы.

Трудно прогнозировать, до какой скорости люди в конце концов сумеют так или иначе разогнаться. Единственное, что может нас «затормозить», — законы физики. Но и за них поручиться нельзя, когда речь идет о настоящих экстремалах — фанатах высоких скоростей.