11

Физика и разделочные ножи

Представьте себе, что вы собираетесь поесть, как кит-полосатик. Всплывая с глубины, вы несетесь на полной скорости прямо в огромное скопление зоопланктона. Вы раскрываете челюсти широко-широко, будто готовитесь откусить яблоко. Теперь попробуйте представить, как поток воды отбрасывает ваш язык в мешок между горлом и кожей вокруг шеи. Мешок превращается в гигантский пузырь, доходящий до самого пупка. Он раздувается и достигает объема, равного объему вашего тела, как будто вы удав, проглотивший оленя. В конце концов мышцы вашего тела и шеи сжимают этот пузырь, чтобы вы могли втянуть воду в пасть и проглотить добычу. Вот что происходит с полосатиками, когда они делают свой знаменитый рывок, а они проделывают это десятки раз за день.

Для большинства животных питание – это все. И когда дело доходит до полосатиков, то удивительно, как мало мы знали об их питании до самого недавнего времени. Лишь данные маячков позволили сделать выводы об их поведении, которое мы не можем наблюдать воочию: как глубоко они ныряют за едой (до 300 м), как долго длится каждая вылазка за провиантом (от 5 до 15 мин), как быстро они атакуют добычу (максимальная скорость около 15 км/ч, то есть по 4 мин на 1 км) и сколько времени нужно, чтобы процедить захваченный объем воды и добычи сквозь китовый ус (несколько минут). Маячки также показали, какие кульбиты делают под водой полосатики во время захвата добычи, например, синие киты выполняют «бочку» на 360 градусов. Но никакой маячок не расскажет вам об анатомии, которая лежит в основе всего этого поведения.

У многих китов есть пара складок на горле, но только у полосатиков их десятки – по-научному они называются вентральные складки. Они идут от подбородка до пупка, образуя внешнюю поверхность горлового мешка. Когда полосатик делает рывок, эластичная ткань вентральных складок позволяет горловому мешку растянуться, как мехам гармошки. Складки имеют толстые и прочные выступы, разделенные мягкими тканями, поэтому растянутый горловой мешок имеет ступенчатую, гофрированную текстуру. Во время рывка мешок расширяется резко и сильно, он слегка дрожит, как раскрывающийся парашют. Мой коллега Джереми задался непростым вопросом, возникшим из этого сравнения: открываются ли горловые мешки полосатиков пассивно в ответ на внезапный прилив воды, или же кит может активно контролировать поступление воды, работая мышцами горла, как змея, заглатывающая яйцо?

Джереми обратился за помощью к Жану Потвину, который изучал физику элементарных частиц, а потом стал испытателем парашютов. Помимо прочего, Жан испытывал очень большие парашюты для военных и для производителей парашютов. Жан очень серьезно относится к своим научным интересам и проверяет их на практике: многие парашюты он тестирует лично, сидя у открытого грузового отсека в летящем самолете либо выполняя очередной прыжок из более чем 2600 прыжков, числящихся на его счету.

Работая вместе, Жан, Джереми и Боб применили расчеты физики парашютов к горловому мешку полосатика. Сравнение было непростым, так как во время одного рывка в горловой мешок попадает различное количество воды: площадь поверхности, на которую воздействует поток, изменяется по мере открытия и закрытия челюстей. Данные наших измерений челюстных костей в музее наряду с отчетами Службы научных расследований также оказались чрезвычайно полезными: из них мы почерпнули длины челюстей, ширину пасти и длину горлового мешка, которые требовались Жану для расчетов. Измерения были полезны еще и потому, что они охватывали широкий диапазон видов – от малого полосатика до синих китов. Это позволило Жану подсчитать, например, насколько хорошо горловые мешки раскрывались у китов разных размеров и каков был предел их величины.

Итак, какой же вердикт вынес Жан Потвин: пассивно или активно расширяется горло кита? Уж точно не пассивно. Лобовое сопротивление – основная сила, действующая и на парашют, и на горловой мешок кита, это сила, с которой среда, будь то воздух или вода, действует на движущееся сквозь нее тело. Самолет или дельфин встречают относительно низкое сопротивление, поскольку имеют обтекаемую форму; а вот сопротивление, создаваемое, по сути, вогнутой конструкцией – чашей или парашютом, – больше, чем сопротивление плоской пластины, движущейся через воду. Мы уже знали, что питание рывком является энергетически затратным из-за силы сопротивления, но расчеты Жана показали, что масштаб и скорость расширения горлового мешка таковы, что, если будут задействованы только пассивные силы, он просто разорвется. Иными словами, киты должны активно противодействовать сопротивлению врывающегося потока воды, полной добычи.

В том, что мышцы, выстилающие горло кита под гофрированной внешней стороной мешка, оказывают такое активное сопротивление, есть смысл. Когда киты не питаются, они поджимают горловой мешок для сохранения обтекаемой формы; после смерти кита он становится вялым, обмякает и поддается манипуляциям лишь с помощью мясных крюков и разделочных ножей. В Исландии мы провели много времени за изучением горловых мешков. Для китобоев это одна из наименее важных частей туши, что оказалось удобно для нас. Правда, приходилось каждый раз упрашивать разделочную команду дать нам время поработать с мешком, так как он перекрывает доступ к остальной части туши, обычно от мешка при разделке избавляются в первую очередь, как и от челюстей.

Под гофрированной внешней стороной вентральной складки расположены три слоя мышц, называемых платизмой – тот тонкий слой мышц, который заставляет, скажем, лошадь всем телом дрожать на холоде. У людей платизма проходит от подбородка вдоль шеи и до груди и легко натягивается: это наша «бритвенная» мышца. В обычных условиях три слоя платизмы могут сокращаться в продольном и поперечном направлении, тем самым поддерживая и контролируя форму горлового мешка, в который помещается объем воды, равный объему всего кита.

Рассматривая мышцы под жировой тканью вентральных складок, мы отметили еще кое-что, описанное в литературе, но никак не объясняемое: справа и слева в жировой слой встроены ветви толстой, жесткой Y-образной структуры. Она была незаметной, но она имелась, и мы не знали, что это значило. Правая и левая ветви проходили параллельно под линией челюсти, а стержень, идущий от места их соединения, заканчивался прямо под подбородком – анатомическое совпадение, которое пробудило наш интерес, особенно после того, как мы увидели странную структуру внутри подбородка кита. Есть ли между ними какая-то связь?

Каждый раз, заинтересовавшись одной анатомической загадкой, мы натыкались еще на несколько. Куча вопросов, касающихся питания полосатиков, все росла, и я не знал, как на них отвечать. Более того, мы изучали только один вид. В идеале нужно было сверять наши находки с данными по другим полосатикам. Я не до конца понимал, как это сделать. Чтобы понять, какую роль играют нервы кита в питании рывком, идеально было бы взять образец самой свежей ткани, какой только возможно, например, прямо на китобойном судне – у кита, которого только-только загарпунили.

Посреди Северной Атлантики, вдали от суши, мы с Джереми стояли на палубе корабля «Хрефнарейдюр» – охотника за малыми полосатиками. Я только что прижал скальпель к рваному куску мышечной ткани, взятой из горлового мешка. Этого полосатика загарпунили меньше получаса назад, и мелкие пучки мышц еще подергивались под действием нервных импульсов, идущих от еще продолжавших жить клеток. Я сосредоточился на работе: раз они подергивались, был шанс получить высококачественные образцы для изучения под микроскопом. Я поместил срез мышцы на металлическую пластину, охлажденную сухим льдом, затем спрятал ее в пенопластовую коробку, которую Джереми тут же захлопнул и протянул мне флакон с формалином, чтобы я взял еще один образец для фиксации. В этот момент судно качнулось, изменив курс. Дизель пронзительно выл, капитан, пытаясь удержать направление среди бушующих волн, высунувшись из рубки, орал на наблюдателя, находившегося в так называемом вороньем гнезде в нескольких метрах над палубой. А на носу корабля 76-летний отец капитана, одетый в поношенный гидрокомбинезон, твердо стоя на широко расставленных ногах, не отрывал взгляда от цели: китобои заметили еще одного полосатика.

Это коммерческое китобойное судно дало нам редкую возможность собрать материал из максимально свежего экземпляра кита. У меня было две цели: собрать свежую нервную ткань из горлового мешка и посмотреть, найдется ли у других полосатиков сенсорная структура, которую мы с Джереми нашли у финвалов. Как известно, нервы быстро разлагаются, и микропрепарат из них можно сделать, только если зафиксировать их сразу после смерти животного. Мы знали, что, если странный орган обнаружится и в подбородке малого полосатика, это даст основания сделать вывод о том, что этот орган был у всех полосатых китов из-за их общего происхождения. Другими словами, было ли это новшеством, возникшим у одного вида, или такое строение свойственно всем полосатикам и, возможно, способствовало эволюционному успеху всей группы в течение миллионов лет? В тот момент никто не ответил бы на этот вопрос, потому что никто и никогда, кроме нашей команды, не изучал эту липкую неопрятную структуру.

Богатый набор всевозможных ножей, склянок и ящиков на палубе китобойного судна являл собой кульминацию многолетнего планирования. Глядя на плоские свинцовые небеса на Атлантикой, я подумал, что мы в нашей импровизированной лаборатории под открытым небом занимались тем же, чем многие другие ученые на китобойцах много десятилетий назад. Приятно было знать, что я переживаю все это не один, что рядом Джереми – коллега и друг.

Джереми взял толстый маркер, чтобы подписать пробирки.

– Надо их обязательно запечатать… – БУМММ!!!

Громовой удар потряс нас. Я вжал голову в плечи, Джереми на мгновение пригнулся, но чудом удержал пробирку вертикально. Несколько мгновений спустя мы осмотрелись и поняли, что это был очередной выстрел гарпунной пушки с носа судна. Черное облако дыма на мгновение окутало нас едким запахом. Стрелок оглянулся на нас, его лицо было покрыто сажей, он пронзительно присвистнул, указывая всем на успешный выстрел. Гарпун с разрывным наконечником, попав в грудь полосатика, убил его на месте. Девятиметровая туша поднятого кита едва уместилась на задней палубе «Хрефнарейдюра», экипаж быстро принялся за работу, срезая длинные темные мышцы спины, считающиеся деликатесом. Это походило на сокращенную версию того, что мы видели в Хваль-фьорде. Кроме отборных кусков мяса, ничто в этом малом полосатике не вызвало интереса команды. Я воспользовался моментом, попросил одного из китобоев отрезать для нас подбородок кита, осторожно принял из его рук кусок мяса размером с коробку для обуви и перенес на главную палубу. «Ну что, поехали», – сказал я Джереми и провел ножом вдоль V-образного пересечения кончиков челюстей. В разрезе отчетливо виднелась полость, полная жемчужных сосочков. Мы заулыбались друг другу – структура была на месте. Она не была уникальной особенностью одних лишь финвалов, похоже, она имелась у всех полосатиков. Мы были в восторге, хотя впоследствии обнаружилось, что нервная ткань из горлового мешка успела разложиться и изучить ее под микроскопом нам не удалось. Тем не менее у нас была новая информация о внутреннем строении одного из самых больших животных на планете, теперь можно было попробовать выяснить, как это влияет на их жизнь.

Вернувшись из Исландии в Америку, мы начали разбирать центнеры замороженных тканей в лаборатории Боба, все образцы с соответствующими разрешениями на перевозку. Чтобы потренироваться, мы для начала размораживали и изучали менее важный материал. Наконец пришла пора заняться 50-килограммовым подбородком финвала из Хваль-фьорда. Что таится внутри этой липкой структуры и причудливых пальцевидных сосочков – есть ли в них нервы и кровеносные сосуды? Зачем нужен кровоток в плотной и жесткой части подбородка? Во всем этом нужно было подробно разобраться.

Мы завернули подбородок в полиэтилен и пузырчатую пленку, упаковали в большие пластиковые мешки, бросив туда несколько рулонов бумажных полотенец, чтобы впитывали жидкость, и повезли наш трофей в гигантский томограф, который одна лесозаготовительная компания заказала, чтобы сканировать бревна целиком. Мы знали, что во время сканирования подбородок начнет оттаивать, но поскольку мягкие части находились внутри жесткой оболочки, орган не должен был деформироваться или разрушиться слишком сильно. На полученных МРТ-снимках мы увидели, что нечто, похожее на крупные сосуды, проходит от канала в костных кончиках челюсти к мягкой полости посередине. МРТ и компьютерная томография дали нам две отличные карты для первых разрезов. Это было вскрытие, которого никто никогда не делал прежде, и мы хотели составить план: с чего начать, что удалить, а что может дать наиболее показательную информацию.

Вскрытие в соответствии с нашими цифровыми картами растянулась на много дней, но мы получили все нужные данные, чтобы наконец разгадать тайну инопланетной слизи в подбородке кита. Во-первых, мы узнали больше о структуре, расположенной на подбородке полосатика, там, где сходятся челюстные кости. Это образование с мягким ядром, заполненное пальцеобразными структурами и окруженное толстой жесткой соединительной тканью, оказалось не суставом. Почему-то никто не замечал его раньше, хотя китобои во время промысла полосатиков разрубали сотни тысяч челюстей. Мы запросили у коллег фотографии любых других видов усатых китов, а не только финвалов и малых полосатиков. Может, кто-то видел эту структуру при вскрытии выбросившегося на берег кита, но не придал ей большого значения, сочтя гниющей тканью? (В большинстве случаев внутренние органы китов либо успевали разложиться, либо были недоступны, погребенные под горой прочих останков.) Эта структура имелась у других полосатиков, а вот у более дальних их усатых родственников, вроде гренландских и гладких китов, – нет; у них было несколько папилл, но без четко выраженной полости. Эти данные убедительно показывали, что найденная нами структура была результатом эволюционного развития полосатиков.

Во-вторых, и компьютерная, и магнитно-резонансная томографии, и вскрытие показывали, что мягкую полость пронизывали нервы и кровеносные сосуды. Рассмотрев их под микроскопом, мы увидели, что папиллы были наполнены чувствительными к давлению сенсорами, иначе называемыми проприоцепторами. На клеточном уровне они выглядят как крошечные спиральки и имеются у всех млекопитающих – например, у котов они расположены на кончиках усов. Именно проприоцепторы сообщают вам, где вы находитесь, определяя положение тела по движению и передавая эту информацию в нервную систему. Такой орган внутри липкой полости в подбородке полосатика, видимо, как-то сообщал киту, что происходит с его челюстями.

Кстати, вот еще одна загадка: анатомически полость была асимметричной. На китобойной станции мы обнаружили, что ровные, перпендикулярные, как нарезка ломтиков хлеба из буханки, разрезы на подбородке почему-то всегда открывали пучки нервов и кровеносных сосудов, выпадающие то одной, то с другой стороны – но никогда не симметрично с обеих сторон. И мы видели достаточно разных китов, чтобы можно было сделать вывод об асимметрии, в случае полосатиков – на левую сторону (даже два малых полосатика, которых мы вскрыли в море, были неодинаковыми). Асимметрия у китов порой принимает забавные формы: бивни нарвала обычно смещены в одну сторону, а усатые киты иногда питаются только на одном боку.

Однако ни один из этих примеров не объясняет наблюдаемую нами асимметрию – эту маленькую загадку еще предстоит разрешить.

В конце концов мы собрали достаточно информации, чтобы можно было назвать эту полостную структуру сенсорным органом. Он, безусловно, обладал множеством различных тканей (первый шаг к тому, чтобы подходить под описание органа). Там была нервная ткань, кровеносные сосуды и скопления папилл, которые плавали в мягкой полости, зажатой между костными кончиками гигантских челюстных костей. Теперь нужно было понять функцию этого органа.

Орган чувств наполнен нервами, некоторые из них проходят к волоскам на подбородке полосатика. Когда полосатик натыкается на большую стаю добычи, отдельный рачок или рыба на краю подводного роя касается этих волосков, побуждая кита открыть рот в ожидании более плотного скопления добычи (сходным образом усы-вибриссы кошек, как и тюленей, позволяют им чувствовать близость добычи, не видя ее). Когда челюсти кита раскрываются, мягкая часть сенсорного органа сжимается, и нервы внутри него посылают соответствующую информацию в мозг. По мере того как поток воды устремляется в рот, горловой мешок давит на толстые жесткие фибро-хрящевые прокладки, встроенные в вентральный желобок прямо под подбородком. Общий корень подушечек (которые образуют букву Y справа и слева) находится прямо под сенсорным органом и, вероятно, предоставляет информацию о том, насколько наполнился горловой мешок и не пора ли закрывать пасть.

Немного дополнительного контроля не помешает, если для еды вам нужно закрывать и открывать челюсти всего за несколько секунд, тем более когда эти челюсти длиной с гостиную. Но связан ли каким-то образом этот орган чувств с гигантским размером китов? Он отвечает за всю сложную и причудливую анатомию рывка, позволяя полосатикам совершать один из крупнейших биомеханических подвигов на планете – каждый день. Характерно, что этого органа нет у тех усатых китов, которые не используют рывок при кормлении. У зубатых китов тоже нет ничего подобного. С учетом того факта, что на семейном древе китов имеется несколько гигантов, у которых сенсорного органа нет, например гладкие киты и кашалоты, похоже, что он необязательно нужен, чтобы дорасти до гигантских размеров. Но он, конечно, не повредит, и у общего предка всех современных полосатиков такой орган явно был, а мы знаем, что этот предок был не особенно крупным для кита – не больше малого полосатика. Когда же киты стали такими большими? Чтобы ответить на этот вопрос и понять эволюцию гигантов океана, придется выйти за пределы мягких тканей, маячков и костей.