Литература к главе 4

1. Из телесериала ВВС Fun to Imagine 2: Fire (1983), видео доступно по ссылке YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=ITpDrdtGAmo.

2. Интервью CBC News доступно по ссылке: http://www.cbc.ca/news/ tech nology/quantum-weirdness-used-by-plants-animals-1.912061.

3. Engel G. S., Calhoun T. R., Read E. L., Ahn T-K., Mancal T., Cheng Y-C., Blankenship R. E. and Fleming G. R. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems // Nature, 2007. – Vol. 446. – P. 782–786.

4. Mercer I. P., El-Taha Y. C., Kajumba N., Marangos J. P., Tisch J. W. G., Gabrielsen M., Cogdell R. J., Springate E. and Turcu E. Instantaneous mapping of coherently coupled electronic transitions and energy transfers in a photosynthetic complex using angle-resolved coherent optical wave-mixing // Physical Review Letters, 2009. – Vol. 102: 5.

5. Collini E., Wong C. Y., Wilk K. E., Curmi P. M., Brumer P. and Scholes G. D. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature // Nature, 2010. – Vol. 463: 7281. – P. 644–647.

6. Panitchayangkoon G., Hayes D., Fransted K. A., Caram J. R., Harel E., Wen J., Blankenship R. E. and Engel G. S. Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature // Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010. – Vol. 107: 29. – P. 12 766–12 770.

7. Calhoun T. R., Ginsberg N. S., Schlau-Cohen G. S., Cheng Y. C., Ballottari M., Bassi R. and Fleming G. R. Quantum coherence enabled determination of the energy landscape in light-harvesting complex II // Journal of Physical Chemistry B, 2009. – Vol. 113: 51. – P. 16 291–16 295.

5. В поисках дома Немо

Этот нос, например, о котором еще ни один философ не говорил с уважением и благодарностью, является между тем даже самым деликатным инструментом из находящихся в нашем распоряжении: он может еще констатировать минимальные разности движения, которых не констатирует даже спектроскоп.

Фридрих Ницше. Сумерки идолов. 1889

Кажется, они передают нам некое сообщение от материальной действительности.

Гастон Башляр. Становление научного духа: заметки по психоанализу объективного познания. 1938

Среди щупалец опасной морской актинии, обитающей на коралловом рифе недалеко от филиппинского острова Верде, спрятались две маленькие рыбки. Это полосатые оранжево-белые рыбы-клоуны, или, точнее, амфиприоны, а еще точнее – Amphiprion ocellaris. Жизнь одной из них – самки – прошла гораздо интереснее, чем жизнь большинства позвоночных, поскольку эта рыбка не всегда была самкой. Как и все амфиприоны, рыбка сначала была самцом, который подчинялся единственной самке в стае рыбок, населявших эту актинию. В стае амфиприонов устанавливается жесткая социальная структура, и этот самец соперничал с другими самцами, пока наконец не стал доминирующим и не завоевал право спариваться с единственной самкой в стае. Однажды самку съела проплывающая мимо мурена, и после этого у доминирующего самца стали развиваться яичники, которые несколько лет не функционировали, а семенники, наоборот, перестали функционировать. Так самец-амфиприон превратился в королеву-самку, готовую к спариванию со следующим самцом в иерархии стаи.

Амфиприоны – типичные обитатели коралловых рифов Индийского и западной части Тихого океанов. Они питаются растениями, водорослями, планктоном, а также моллюсками и мелкими ракообразными. Из-за небольшого размера, яркого окраса и отсутствия шипов, острых плавников, усиков и зубцов сами амфиприоны становятся легкой добычей мурен, акул и других хищников, снующих по рифам в поисках пищи. Почуяв угрозу, они спасаются тем, что стремительно скрываются в щупальцах своей актинии. От ядовитого жала актинии рыбки защищены плотным слоем слизи, покрывающей их чешуйки. В свою очередь, актиния также пользуется защитой своих разноцветных жильцов, которые отпугивают нежеланных гостей, например рыб-бабочек, питающихся коралловыми полипами.

Эти особенности образа жизни рыб-клоунов стали широко известны после выхода на экраны анимационного фильма «В поисках Немо». По сюжету рыба-клоун по имени Марлин отправляется на поиски своего сына Немо, который поневоле оказался далеко от дома – Большого Барьерного рифа – и добрался до самого Сиднея. Но еще более сложным испытанием для амфиприонов оказываются поиски дороги домой.

Каждая актиния может быть домом для целой колонии амфиприонов, в которой обязательно есть доминирующая пара – самец и самка. Кроме того, в колонии несколько молодых самцов конкурируют между собой за право стать партнером самки в будущем. Протандрический гермафродитизм амфиприона (необычная способность доминирующего самца менять пол после гибели самки) является, скорее всего, формой адаптации к жизни на опасном рифе. Благодаря этой способности колония предохраняет себя от вымирания после гибели единственной самки с репродуктивной функцией. Более того, рыбам даже не нужно покидать родную актинию в поисках нового дома. Одна и та же колония амфиприонов обычно живет на актинии на протяжении многих лет, однако потомство все же иногда покидает безопасный дом и рано или поздно сталкивается с испытанием – поиском обратного пути.

Полнолуние является своеобразным сигналом для начала нереста большинства коралловых рыб. Когда луна над океаном начинает идти на убыль, самка рыбы-клоуна мечет икру, которую впоследствии оплодотворяет доминирующий самец. На этом работа самки окончена, а вот самец занимается тем, что охраняет икринки, отгоняя от них хищных рыб, обитающих на рифе. Отцовская забота об икринках длится примерно неделю. После на свет появляются сотни головастиков. Течения уносят их во взрослую рыбью жизнь.

Головастики амфиприонов достигают в длину лишь нескольких миллиметров. Кроме того, они почти полностью прозрачны. В течение недели или около того они плавают в океане, питаясь зоопланктоном. Как знают опытные дайверы, не раз погружавшиеся на глубину в районе коралловых рифов, течение очень быстро относит вас от того места, где вы погрузились под воду; так головастиков амфиприонов относит от родного рифа на многие километры. Большинство из них становится жертвами хищных рыб, но некоторые выживают. Еще через неделю счастливчики, оставшиеся в живых, опускаются на дно, где в течение дня превращаются (как головастик лягушки, которого мы описали в главе 3) в мальков – маленькие копии взрослых рыб. Без защиты ядовитой актинии ярко окрашенные мальки становятся легкой добычей хищных рыб, охотящихся в придонных водах. Чтобы выжить, мальку амфиприона необходимо очень быстро найти коралловый риф, а следовательно, и защиту.

Всегда считалось, что головастиков коралловых рыбок уносит океанским течением и что им остается лишь полагаться на счастливый случай быть вынесенными этим течением к подходящему для жизни кораллу. Однако здесь было что-то нелогичное: всегда было известно, что головастики достаточно сильные и умеют отлично плавать, но ведь нет смысла плыть неизвестно куда. В 2006 году Габриэле Герлах, исследовательница из знаменитой Лаборатории биологии моря в Вудс-Холе, Массачусетс, осуществила геномную идентификацию рыб, населяющих рифы, находящиеся на расстоянии от 3 до 23 километров. Исследование проводилось на одном из участков Большого Барьерного рифа недалеко от берегов Австралии. Выяснилось, что рыбы, населяющие отдельный риф, находятся друг с другом в более близком родстве, чем с рыбами, населяющими отдаленные рифы. Поскольку всех головастиков от родного рифа течение относит на многие километры, результат исследования можно объяснить лишь тем, что большинство взрослых рыб впоследствии возвращаются на тот риф, где они появились на свет. У мальков коралловых рыб, должно быть, есть какая-то метка, указывающая на тот участок рифа, где они родились.

Так как же головастики или мальки амфиприонов, которых течение отнесло так далеко от дома, определяют, в каком направлении им плыть? Дно океана не дает никаких видимых подсказок. На дне мало ориентиров, оно выглядит одинаково во всех направлениях: песчаная пустыня, усеянная большими и маленькими камнями, среди которых то тут, то там снуют разные членистоногие. Вряд ли далекий коралловый риф посылает некий звуковой сигнал, который распространяется в воде на несколько километров. Течения сами по себе являются проблемой, ведь их направления постоянно меняются в зависимости от глубины и иногда сложно определить, движется массив воды или находится в покое. Нет никаких доказательств наличия у амфиприонов механизма наподобие магнитного компаса, который помогает малиновкам ориентироваться в пространстве во время миграций. Так как же мальки коралловых рыбок находят дорогу домой?

У рыб хорошо развито обоняние. Известно, что акулы, у которых за обоняние отвечают две трети мозга, могут почувствовать запах одной капли крови на расстоянии более чем километр. Возможно, коралловые рыбки «вынюхивают» путь к дому? Чтобы проверить это предположение, в 2007 году Габриэле Герлах провела «двухканальный эксперимент на выбор водотока по запаху». Мальки коралловых рыб были поставлены перед выбором – поплыть по течению по одному из двух водотоков. Вода первого была собрана на том рифе, где рыбки появились на свет, а вода второго была перемещена с отдаленного рифа, чужого для мальков. Исследовательница наблюдала, какой водоток выберут мальки – с родной или чужой водой.

Мальки неизменно плыли по водотоку, сформированному из воды родного рифа. Они сумели точно определить, где вода с того рифа, где они появились на свет, а где – вода с чужого рифа. Предположительно это связано с тем, что для мальков эти воды пахнут по-разному. Майкл Арведланд, ученый из Университета имени Джеймса Кука (Квинсленд, Австралия), провел похожий эксперимент, в ходе которого подтвердилось, что амфиприоны способны по запаху отличать вид их родной актинии от всех остальных видов, населенных иными колониями. Более того, Даниэлла Диксон из того же Университета имени Джеймса Кука доказала, что амфиприоны могут отличить воду, взятую из среды их обитания – с рифов, раскинувшихся недалеко от зеленых островов, – от воды, взятой с рифов, находящихся далеко от берега. Кажется, что Немо, как и остальные рыбы-клоуны, живущие в коралловых рифах, и правда мог бы найти дорогу домой по запаху.

О способности животных прокладывать себе путь, полагаясь на обоняние, известно давно. Каждый год по всему миру миллионы особей лосося собираются в большие стаи у побережья океана в районе устья большой реки и плывут к местам нереста, преодолевая течение, пороги, водопады и песчаные отмели. Как и в случае с амфиприонами, ученые долгое время полагали, что лососи выбирают подходящую реку для нереста, полагаясь на случай. Однако в 1939 году канадец Уилберт Клеменс пометил около 470 тысяч молодых особей лосося, пойманных в одном из притоков реки Фрейзер. Спустя несколько лет он поймал в том же притоке почти 11 тысяч помеченных рыб, вернувшихся в родные воды. В других притоках реки Фрейзер не было поймано ни одной помеченной рыбы. Ни одна рыба не сбилась с пути, возвращаясь из океана в родную реку. Многие годы способность рыб ориентироваться в океане и речных потоках оставалась необъяснимой. Профессор Артур Хаслер из Висконсинского университета в Мадисоне предположил, что молодые рыбы находят путь в родную реку по запаху, и в 1954 году проверил свою гипотезу. Он поймал несколько сотен рыб, возвращавшихся вверх по течению реки Иссаква близ Сиэтла, в том месте, где сливаются два больших потока, и перенес их вниз по течению. Все рыбы вернулись в тот самый поток, в котором были пойманы. Тогда профессор заткнул их ноздри ватой и снова выпустил в незнакомом месте. Рыбы снова поплыли вверх по течению, однако в поисках своего потока они метались то в одну сторону, то в другую и никак не могли решить, куда им плыть – направо или налево.

На суше роль обоняния еще заметнее, поскольку объем воздуха, в котором растворяются запахи, намного больше объема океана. Атмосферные потоки также подвержены турбулентности, обусловленной переменой погоды, поэтому молекулы газов рассеиваются в воздухе гораздо быстрее, чем в воде. Обоняние является важнейшим чувством для большинства наземных животных, от которого зависит их выживание. Они пользуются обонянием не только для того, чтобы найти путь домой, но и для того, чтобы поймать добычу, убежать от хищника, найти партнера, подать сородичам сигнал тревоги, пометить территорию, стимулировать физиологические изменения организма, а также для коммуникации. Разумеется, человеческому обонянию недоступны такие возможности, поэтому люди часто используют более сильное обоняние братьев своих меньших, например, для того, чтобы разгадать некоторые сигналы и знаки животных. Известно, например, как сильно запахи волнуют собак. Так, гончая породы бладхаунд, чей обонятельный эпителий (подробнее об этом позже) в 40 раз толще человеческого, способна найти человека по запаху. Все мы видели по крайней мере в кино, как собаке-ищейке достаточно понюхать брошенную одежду сбежавшего преступника и она тут же берет его след и находит злодея, преследуя его по болотам, лесам и вдоль ручьев. В кино, разумеется, встречаются вымышленные истории, однако уникальное обоняние, присущее гончим, – факт достоверный. Собаки способны определить по запаху, каким путем шел человек, а каким – животное, а также напасть на след по запаху, оставленному несколько дней назад.

Продемонстрировать поразительные возможности обоняния животных можно на примерах тех подвигов, которые ежедневно совершает собака породы бладхаунд или рыба-клоун. Поговорим сначала о бладхаунде: у него такой тонкий нюх, что он способен различать в запахе человека или животного даже очень небольшое количество органических веществ, например масляной кислоты. Острота обоняния собаки удивительна. Если распылить один грамм масляной кислоты в комнате, то человек почувствовал бы ее сладковато-прогорклый запах. Однако собака учуяла запах масляной кислоты, если бы всего один грамм распылили над целым городом, причем на высоте 100 метров. А теперь вспомните, что рыба-клоун или лосось чувствуют запах родных мест на расстоянии несколько километров в необозримых просторах океана.

Обоняние животных впечатляет не только своей остротой, но и хорошо развитой дискриминационной способностью. Ежедневно собаки помогают сотрудникам таможни обнаруживать по запаху целый спектр запрещенных веществ (обычно тщательно упакованных и спрятанных в чемодане): от наркотиков, например марихуаны и кокаина, до компонентов взрывчатых веществ, например С-4. Собаки также способны различать по запаху людей, даже абсолютно одинаковых близнецов. Как же они это делают? Ведь масляная кислота, выделяемая одним из нас, – это та же масляная кислота, которая выделяется любым другим человеком. Безусловно, это так. Однако, кроме масляной кислоты, любой организм выделяет тонкую и сложную смесь из сотен органических молекул, являющуюся уникальным запахом, который, как и отпечатки пальцев, не повторяется ни у кого. Собаки чувствуют этот индивидуальный запах так же легко, как мы, например, различаем цвет футболки. Таким же образом рыба-клоун или лосось так же легко различают запах их родных вод, как мы с вами узнаем родную улицу или определяем цвет входной двери.

И все же собаки, лосось и амфиприоны не являются представителями живых существ с самым острым обонянием. Например, у медведя обоняние в семь раз острее, чем у бладхаунда: он может почуять живое существо на расстоянии 20 километров. Моль чувствует другую особь на расстоянии 10 километров; крысы способны воспринимать запахи в режиме «стерео», а змеи – языком. Все эти способности обоняния важны для животных, которые должны постоянно добывать себе пищу, находить партнеров, избегать встреч с хищниками. Они развили чувствительность к едва уловимым намекам, которые позволяют снизить риск опасности в воздухе или в воде. Обоняние настолько важно для выживания животных, что поведенческие реакции на запахи у некоторых видов являются врожденными. Во время экспериментов с участием полевок с Оркнейских островов грызуны избегали ловушек с запахом (секретом) хищника горностая, несмотря на то что горностаи не водятся на Оркнейских островах уже пять тысяч лет!

Считается, что обоняние человека менее острое, чем обоняние его предков. Несколько миллионов лет назад Homo erectus оторвал верхние конечности от земли и стал прямоходящим. Его нос при этом также отдалился от земли – богатого источника разнообразных запахов. Со временем основными источниками информации наших предков стали зрение и слух, которые постепенно совершенствовались при более выгодном для глаз и ушей положении тела. Нос человека стал короче, ноздри сузились, а в большинстве генов (всего их у наших предков было около тысячи), кодирующих свойства рецепторов обоняния, накопились мутации (подробнее об этом позже). К сожалению, мы также лишились дополнительной обонятельной способности, встречающейся у других животных, за которую отвечает вомероназальный орган (орган Якобсона). Функция вомера состоит в улавливании половых феромонов.

И все же, несмотря на скудный, по сравнению с предками, набор в три сотни генов, отвечающих за рецепторы обоняния, и некоторые анатомические изменения, мы сохранили на удивление хороший нюх. Мы не можем почувствовать запах человека или пищи на расстоянии нескольких километров, однако мы способны различать около десяти тысяч запахов и, как заметил Ницше, даже выполнить «спектральный анализ» пахучих веществ. Наша способность воспринимать запахи стала источником вдохновения великих поэтов («Роза пахнет розой, хоть розой назови ее, хоть нет») и имеет большое значение для нашего хорошего самочувствия и удовлетворения.

В истории человечества обоняние также имело на удивление большое значение. В древнейших текстах говорится о благоговении человека перед приятными запахами. Неприятные запахи вызывали отвращение. В священных местах всегда распылялись благовония. В Библии есть эпизод, в котором Бог наставляет Моисея на строительство храма и говорит ему: «Возьми себе благовонных веществ: стакти, ониха, халвана душистого и чистого ливана, всего половину, и сделай из них искусством составляющего масти курительный состав, стертый, чистый, святый» [1]. У древних египтян даже был бог благовоний – Нефертум, который также почитался как бог исцеления, своего рода мифический ароматерапевт.

Из-за стойких ассоциаций здоровья с приятными запахами и, наоборот, болезней и упадка – с неприятными многие люди верили, что именно запахи являются причиной здоровья или болезней, а не наоборот. Например, древнеримский хирург Гален считал, что зловонное белье – простыни, одеяла, матрасы – вызывает заражение крови и других жидкостей организма. Считалось, что тошнотворные запахи (миазмы), исходящие из канализации, склепов, выгребных ям, а также болот, являются источником многих смертельных болезней. Люди верили, что приятные запахи способны отразить болезнь, защитить от нее. Именно поэтому врачи средневековой Европы перед тем, как войти в дом, где находится больной чумой, требовали, чтобы помещение сначала проветрили, а затем раскурили бы в нем благовония, например ладан, смирну, масло розы, гвоздики и другие ароматические травы. Таким образом, изначально профессия парфюмера была связана скорее с дезинфекцией, нежели с уходом за человеческим телом.

Значение обоняния в жизни человека не ограничивается только распознаванием запахов, вдыхаемых носом. Возможно, вас это удивит, но считается, что наше чувство вкуса на 90 % является тем же обонянием. Когда мы пробуем пищу, рецепторы вкуса, расположенные на языке и небе, распознают химические вещества, растворенные в слюне. Однако у человека есть только пять видов рецепторов вкуса, способных различать комбинации пяти основных вкусов – сладкого, кислого, соленого, горького и вкуса умами (в переводе с японского «приятный пряный вкус»). В то же время запахи еды и напитков попадают из горла в носовую полость, где активизируют сотни рецепторов обоняния. По сравнению с рецепторами вкуса, рецепторы обоняния наделяют нас гораздо более широкими возможностями, позволяя различать тысячи различных запахов и наслаждаться ароматами хорошего вина, пахучих продуктов, приправ, трав или кофе. Несмотря на то что мы утратили вомероназальное обоняние, сохранившееся у большинства млекопитающих, широкая парфюмерная индустрия говорит о том, что запахи до сих пор играют важную роль в человеческих отношениях, особенно сексуальных. Фрейд даже усматривал связь между подавлением сексуальных желаний и сублимацией обоняния у большинства людей, однако при этом писал, что «есть целые народы, даже в Европе, в половой культуре которых высоко ценится сильный запах гениталий» [2].

Так как же люди, собаки, медведи, змеи, мотыльки, акулы, крысы и амфиприоны расшифровывают эти послания «материальной действительности»? Каким образом мы способны различать такое многообразие запахов?