Когда речь идет о последних достижениях биологии, мы обычно слышим новости о прочтенных геномах и достижениях молекулярной биологии, но даже в таких классических и, казалось бы, хорошо изученных областях как зоология позвоночных до сих пор остается много непознанного. Лишь недавно с помощью новых методов ученые смогли выяснить, как устроен ротовой аппарат пингвинов.
О последних открытиях в биологии рассказывает профессор биологического факультета МГУ Феликс Дзержинский.
– Палеонтологи часто жалуются, что у многих современных видов позвоночных скелет не описан вообще, описано только внешнее строение – цвет перышек, форма клюва внешняя, а кости остались за рамками науки. Потрясающая статья вышла буквально год назад. Оказывается, науке до сих пор не было известно, как устроен женский половой аппарат у многих уток. Казалось бы, уток потрошат тысячи лет, однако серьезного изучения не было. И обнаружилось много неожиданного. Для того, чтобы глубже понять эволюцию и морфологию позвоночных животных, нужны новые подходы. Скажите, пожалуйста, какие методологические подходы вы используете в своих исследованиях?
– В нашем распоряжении есть метод, который представляет собою некоторую модификацию подхода технического: как бы мы работали с машинами, если бы нас запустили в музей и попросили подытожить историю тех механизмов, которые мы там увидели? Этот подход касается главным образом опорно-двигательной системы позвоночных животных. Мы называем иногда этот подход упрощенно и обобщенно –биомеханикой. Механические, функциональные свойства очень четко отражают особенности геометрии, которая представляет собой первоначальный, самый главный объект изучения анатомов. Другая сторона, состоит в том, что механические свойства адаптивны, то есть они отражают свойства экосистемы, в которой обитают животные, в которой они адоптировались, оказались победителями в эволюции.
Одно из интересных открытий, которым в какой-то мере даже горжусь, это результаты исследований ротового аппарата пингвинов. Мы вообще изучаем ротовой аппарат птиц. Он устроен очень сложно, он осуществляет сложные движения, его устройство очень разнообразно, и в то же время и он позволяет изучать эволюцию птиц и строить генеалогию примерно так, как бы строили историю инженерной мысли. Оказалось, что пингвины способны с большой интенсивностью прокачивать воду с помощью ротовой полости. У них очень глубокая по вертикали ротовая полость, у них очень странно выглядит силуэт головы – разрез рта направлен прямо в центр зрачка. Я имею в виду крилеядных пингвинов, это прежде всего пингвин Адели (Pygoscelis adeliae) и хохлатые пингвины.
Они выдвигают свою нижнюю челюсть, она посередине выгибается и таким образом они с большой производительностью прокачивают воду сквозь ротовую полость. Всосав порцию воды, – а вместе с ней они всосут криль, – они прихватывают криль вершинками иголочек, которыми усажена ротовая полость и язык, (а язык у пингвина напоминает зубную щетку). Они выпускают воду, и при следующем движении захватывают новую порцию воды, – и снова ловят рачка или нескольких, а предыдущую порцию загоняют в глубину глотки и глотают. Интересно, что английская экспедиция, которая работает на юге Атлантики в области Фолклендских островов под руководством такого крупного специалиста как доктор Кроксон, не могла это наблюдать. Днем криль погружается на глубину сорок метров, и Кроксону и его коллегам не удалось этого наблюдать. Более того, он даже прямо отрицал способность пингвина к массовому сбору корма, утверждал, что они схватывают эту добычу по одному. В то же время в статьях его же с его коллегами есть такие данные. Они на гнездовьях встречали пингвинов, выкачивали при помощи помпы содержание желудка, считали добычу, а в маленьком рюкзачке за спиной у пингвина находился электронный чип, который засекал количество и глубину погружений, которые за время этого ухода с гнезда в море совершил пингвин. И это дало им возможность подсчитать, что за одно погружение, которое длится две минуты эти пингвины собирают в среднем 150 рачков – два сантиметра длиной и весом десятую долю грамма. В среднем 150 за две минуты с глубины сорок метров. Поверить, что это возможно только в условиях поштучного сбора, трудно. Таким образом, получилось, что у нас есть возможность вмешаться в дискуссию, с наших позиций кабинетных анатомов вмешаться в дискуссию с полевыми исследователями.
– То есть английский профессор фактически не верил в то, что пингвин фильтрует воду и отбирает таким образом себе корм. А как же вам это удалось выяснить, не выезжая на Фолклендские острова?
– На основании изучения аппарата, которым располагает пингвин, его вооружения, его инструмента. Мы рассматривали скелет, мускулатуру, кожу. Если любознателдьному мальчику дать разобрать будильник, то, подсчитывая количество зубцов на колесиках, он вам посчитает соотношение числа оборотов, которые делают при движении часов различные шестеренки. Количество зубчиков позволяют это сделать. В конструкции механизма однозначно указано, в сущности, на что он способен.
– Когда животных стали рассматривать как своего рода «механизм»?
– Первая работа, посвященная птицам, была выполнена немецким зоологом Христианом-Людвигом Ничем в 1811 году. Но с тех пор таких работ сделано едва ли больше, чем пальцев на руках. Следующая работа была 1908, потом 1928, редко делались такие работы. Вообще такой подход, который пытался описывать эволюцию как многообразие животных в терминах создавшего это многообразие процесса приспособления, первым был наш соотечественник Владимир Ануфриевич Ковалевский, палеонтолог, описывавший лошадей, который чурался формалистического подхода и стремился к максимально конкретному изложению вопроса. Вот так и мы пытаемся реконструировать эволюцию в форме конкретного процесса адаптации.
– С помощью ваших методов вы ведете классическую дискуссию между теоретиками и экспериментаторами. Может быть, вы еще один какой-то пример приведете?
– Примитивное хордовое животное ланцетник (Branchiostoma), напоминающее маленькую рыбку, но не имеющее головы, ни мозга, ни черепа. Это не позвоночное животное – хордовое, предшественник позвоночных животных. У него вместо позвоночника в качестве скелета имеется хорда. Хорда фактически это такой вытянутый пузырь в виде шланга, сигарообразоного шланга, наполненного жидкостью, который извивается, как позвоночник рыбы под влиянием мускулатуры, расположенной справа и слева, позволяет ланцетнику ловко плавать, но этот осевой скелет не сжимаем благодаря тому, что он имеет полужидкое содержимое, а жидкость несжимаема. Хорда защищена от раздувания, это характерно для некоторых рыб, например, для осетровых тем, что она имеет хорошую оболочку с хорошими кольцевыми волокнами. Вот два исследователя экспериментировали с ланцетником. Ланцетник не имеет сердца, не имеет гемоглобина и поэтому его органы неприхотливы, чрезвычайно жизнеспособны. Кусочки хорды вырезанные у ланцетника длиной в сантиметр, толщиной два миллиметра сохранили жизнеспособность двое суток.
Чем же они любопытны? Тем что у них внутри существуют одноклеточные пластинки с поперечными горизонтальными мускульными волокнами. Ученые раздражали эти мускульные пластинки электрическим током, зафиксировали и даже измерили степень мускульного сокращения, и настала очередь объяснить, какой же может быть роль этих мускульных пластинок. И исследователи предположили, что напряжение этих мускульных пластинок меняет режим плавания, меняя упругость хорды. Они сочли возможным, что поперечные мускульные волокна меняют упругость хорды к изгибанию. Если мы вспомним с вами, что может укрепить любой стержень против боковых изгибаний – это только напряжение продольных элементов. Например, если мы попробуем сломать сухую колбасу, то на ее оболочке возникнут трещины, она разорвется. То есть это изгиб будет сопровождаться напряжением оболочки. Авторы учреждают, что перенапряжение мускульных пластинок никакого влияния не имеет. В это легко поверить, потому что у живого ланцетника на нее навешена хорошая сильная мускулатура. Но эти же авторы сообщают, что у личинки в раннем возрасте ланцетника эти мускульные пластинки, которыми наполнена его хорда, сжаты, нет жидких прослоек, как у взрослого ланцетника и таким образом вся хорда представляет собой мускул с поперечными волокнами. И вот эта хорда, состоящая сплошь из поперечных волокон, уже представляет интерес. Она может вполне выполнять функции такого осевого скелета, как если бы мы свой бицепс напряженный будем сжимать пальцами поперек волокон, то мы почувствуем упругость. Также если эти волокна напрягутся, а они поперек продольной оси тела расположены, то от них можно ожидать продольной несжимаемости и в то же время гибкости, когда эта забавная мышца вполне годится как прототип хорды в раннем возрасте ланцетника. А потом вступает второй фактор, когда эта мышца окружается оболочкой, то возникает фактор постоянства объема и тогда хорда получает продольную несжимаемость. И таким образом можно рассматривать эти пластинки как остаток раннего состояния. Это пример того, что используемый нами подход в данном случае много что добавляет к результату, который получили экспериментаторы.
