Движение: шаги и парение в пространстве
У нас есть инстинктивный страх перед многоногими бегающими тварями. Неудивительно, что в научной фантастике инопланетяне, преследующие свою жертву, часто имеют множество ног или передвигаются, дергаясь, как на шарнирах. Мы боимся, что за нами погонится хищник, и небезосновательно. Чтобы выжить, нам нужно двигаться, равно как нашим жертвам или врагам. Но помимо движения как такового, что можно сказать о различных способах передвижения животных, которые могли бы существовать на других планетах? На первый взгляд понять, как могут передвигаться инопланетные животные, относительно несложно. Движение, по сути, физическое явление, а законы физики универсальны: силы, ускорение, вращающий момент, трение и прочее существуют на любой планете в любой звездной системе. Но мы все еще побаиваемся таких далекоидущих заявлений. Нет ли какого-нибудь нового способа передвижения, который до сих пор не приходил нам в голову? Возможно, есть планеты со столь необычными физическими свойствами среды, что мы даже представить не в состоянии, как в таких условиях могут передвигаться животные.
Вот почему начать обсуждение следует не с физических ограничений движения, а с эволюционных. Движение существует в животном мире исключительно из-за давления отбора. Мы двигаемся потому, что нам приходится это делать, а не потому, что обладаем такой способностью. Физические ограничения, безусловно, влияют на наш способ передвижения, а иногда даже на то, сможем ли мы двигаться вообще. Растения выживают в большинстве своем, не сдвигаясь с места. Но для подвижных животных движение вызвано необходимостью. Земные животные демонстрируют такое многообразие способов передвижения, что мы можем впасть в заблуждение, решив, будто и причин для того, чтобы двигаться, такое же множество. На самом деле это не так.
Зачем животные двигаются?
Разумеется, животные двигаются, чтобы добыть еду и чтобы самим не стать едой. Но в целом можно выделить три основных мотива движения — ресурсы, которые всюду ограниченны, а именно: энергия, пространство и время.
Первые формы жизни на Земле, сохранившиеся в ископаемом состоянии, обычно считаются неподвижными. Эти древние окаменелости возрастом не менее 3 млрд лет настолько похожи на современные структуры, именуемые строматолитами, что их образование обычно объясняют деятельностью тех же существ — примитивных бактерий, которые получают энергию от солнца и растут в виде матов, поднимающихся из воды по мере того, как новые слои бактерий разрастаются поверх предыдущих. Такие бактерии не «двигаются» в смысле, привычном для животных, но колония в целом растет вверх, поскольку осаждение со временем песка и мертвой органики перекрывает им доступ к солнцу — их источнику энергии. Поэтому даже древним бактериям для добычи энергии требовалось движение — так дерево растет вверх, чтобы его не затеняли конкуренты.
Чужие миры могут располагать источниками энергии, незнакомыми или по крайней мере нетипичными для Земли. Океаны, расположенные под поверхностью, как на Энцеладе, спутнике Сатурна, не получают солнечного света, но энергии там предостаточно. Частично ее обеспечивает нагрев от радиоактивного распада элементов в ядре планеты, но часть энергии дает приливное трение — мощная сила гравитации Сатурна то притягивает, то отпускает фрагменты скалистого ядра и залегающую под ледяной поверхностью воду. Эти миры вполне могут быть обитаемы, и если это так, то обитающим там живым существам придется изобретать способ отыскивать и использовать эти непривычные для нас источники энергии.
Жизнь нуждается в энергии, и, если энергия распределена неравномерно, организму приходится отправиться на ее поиски. Конечно, солнечный свет, как правило, доступен на Земле всюду, поэтому фотосинтезирующим организмам для получения энергии незачем двигаться — разве только расти вверх. Однако, когда все живое конкурирует за единственный источник энергии (Солнце), эволюция начинает интересоваться альтернативными стратегиями. Организму, который дожидается, пока бактерия соберет солнечную энергию, а затем пожирает бактерию, незачем конкурировать за солнечный свет; что-то подобное произошло на Земле, по-видимому, еще на заре жизни. Подобной эксплуатации одних организмов другими следует ожидать на любой планете, где есть жизнь.
Какой именно организм первым начал поедать бактериальные маты, неясно. Конечно, точно известно, что на ископаемых бактериальных матах имеются древние отпечатки извилистых следов, которые предположительно указывают на то, что кто-то прогрызал себе путь в их поверхности. Многие годы считалось, что эти странные следы оставили древние животные, которые ползали по живому ковру, поедая по пути бактерии. Возможно, так и было, но само животное в ископаемом состоянии так и не нашли, поэтому ученые предполагали, что это еще одно таинственное мягкотелое существо эдиакарской биоты, не имевшее минерального скелета или раковины, которые могли бы сохраниться в палеонтологической летописи. Предполагали даже, что это какой-нибудь древний предок современных животных, например улиток. Но недавно ученые обнаружили необычайно похожие следы на песчаном дне Карибского моря у Багамских островов. Когда они двинулись по следам, их ожидало удивительное открытие: эти отпечатки оставляла гигантская одноклеточная амеба размером с крупную виноградину. Неважно, походили ли на нее древние организмы, поедавшие бактериальные маты, — сам факт стал важным напоминанием о том, что для умения двигаться не обязательно быть животным (в современном понимании этого термина) и что это умение восходит к древнейшим и простейшим одноклеточным организмам.
Здесь в игру вступает элементарная геометрия. Как только кто-то начинает употреблять в пищу неподвижный ресурс, он вынужден научиться двигаться. Если такой организм выедает пищу быстрее, чем она растет, ему нужно передвигаться на новое место, чтобы найти новую еду, иначе он погибнет. Если же пища вырастает быстрее, едок будет столь успешен и оставит так много потомства, что рано или поздно (и это непременно случится) ресурсы пищи, не выдержав соревнования со все увеличивающимся количеством детей, внуков и правнуков, все равно истощатся. И кому-то придется пуститься в путь на поиски своего счастья. Простой и жестокий закон эволюции состоит в том, что количество энергии ограниченно, а дефицит энергии толкает организмы на то, чтобы изобрести способы добыть новую энергию. Движение обязательно должно возникнуть. Инопланетные существа просто обязаны научиться передвигаться.
Если вы все еще не убеждены в неизбежности движения, давайте рассмотрим другой ресурс, ограниченный во всей Вселенной, — пространство. С размножением организмов появляются новые особи, и эти особи материальны — они занимают определенное пространство. Даже растения в некотором смысле «передвигаются», распространяя семена и захватывая новые места для своих потомков. Если бы никто не двигался, новым особям просто не нашлось бы места, и эволюция на этом прекратилась бы. Жизнь могла бы просуществовать довольно долго, если бы организмы были неизменными и бессмертными, но у таких организмов никогда бы не развились новые признаки, способности или свойства.
Итак, где бы организмы ни обитали, им нужно передвигаться в поисках пространства и энергии. Но именно этот фактор порождает многообразие способов передвижения на Земле и обязательно должен проявляться на других планетах. Пространство от вас никуда не убежит. А вот энергия может. Мы уже убедились, что животные эдиакарского периода, по-видимому, вели более или менее мирное сосуществование и хищничество у них было развито недостаточно для того, чтобы эволюция породила какие-либо виды защитной брони вроде панцирей или шипов. Среди ученых нет согласия в том, могла ли подобная ситуация длиться вечно. Возможно, понадобился какой-то триггер окружающей среды — изменение температуры океанов или уровня кислорода, — вызвавший у одного животного соблазн откусить кусочек от другого.
Возможно, для того, чтобы в ходе эволюции появились сложные животные, которые плавают, кусаются, жалят и прячутся, необходимо очень специфическое стечение обстоятельств. Однако альтернативная гипотеза гласит, что подобный ход развития неизбежен при условии, что времени будет достаточно — возможно, его понадобится очень много, но в конце концов обязательно должны возникнуть охотники и дичь. В пользу этой гипотезы говорит то, что идиллический эдиакарский сад представляется нестабильным — как монета, поставленная на ребро. Да, он мог бы существовать вечно, но в реальности достаточно совсем незначительных пертурбаций, чтобы он разрушился — и не смог восстановиться. В эволюционном смысле выбор очевиден: если кто-то к вам подбирается, вас могут съесть, и возможность убежать становится крайне полезной.
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.
Что значит быть подвижным животным
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.
Если вы животное, обитающее в текучей среде наподобие водной, у вас есть три возможности: всплывать, тонуть или обладать как раз такой степенью плавучести, чтобы оставаться на месте, не всплывая и не опускаясь на дно. Если ваша плотность выше плотности воды, то вы скорее всего утонете, и, если ничего не предпринимать, в конце концов опуститесь на дно. В таком случае ваша задача — передвигаться на границе твердой и текучей среды, как поступают крабы, морские звезды и все остальные донные организмы. То же относится к животным окружающего нас мира — собакам, кошкам, людям. Все они передвигаются на границе твердой среды (почвы) и текучей (воздуха). Разумеется, мы исходим из того, что основная сила на планете — гравитация. Есть веские основания полагать, что это так: прежде всего, гравитация — единственная фундаментальная сила, которая успешно работает на средних расстояниях. Можно допустить, что на маленькой планете (у которой, соответственно, небольшая сила притяжения) с мощным магнитным полем, населенной множеством форм жизни, биохимия которых основана на железе, объекты могут притягиваться практически в любом направлении. На такой планете «вниз» не обязательно означает «к центру планеты», как на Земле, где мы привязаны к поверхности. Вместо этого магнитное поле в одних точках планеты будет тянуть животных вверх, в других вбок — там не будет понятий верха и низа в абсолютном смысле! Однако сила магнитного поля, которая понадобится, чтобы удержать наши гипотетические формы жизни на поверхности, будет настолько велика, что разорвет любые сложные молекулы, стоит им образоваться. Поэтому, хотя следует учитывать и причудливые варианты, нам все же лучше ограничиться рассмотрением планет, где основная сила — гравитация.
Некоторых животных тянет вниз, но они сопротивляются этому. Самый очевидный пример — птицы. В полете они движутся сквозь текучую среду, удерживаясь в воздухе, но это для них не естественное состояние — если они перестанут сопротивляться, они упадут. Многие морские животные сталкиваются с той же проблемой, хотя, если они перестанут держаться на плаву, для них это не так опасно, как для птиц, поскольку плотность их тела гораздо ближе к плотности воды, а вода более вязкая, чем воздух. Осьминоги, например, обычно ходят по морскому дну с помощью «ног», но в случае необходимости умеют также использовать реактивную струю для быстрого плавания под водой, не касаясь дна.
Отметим, что большинство видов, способных преодолеть силу притяжения планеты, пользуются этой способностью лишь время от времени — по-видимому, это куда более энергозатратно, чем покориться законам физики и двигаться по нижней границе своей среды. Любому, кто наблюдал, как неторопливо кормятся в поле воро́ны, известно, насколько неохотно они взлетают. Но это характерно не для всех животных. Некоторые (в основном микроскопические) существа проводят всю жизнь, стремясь удержаться на плаву. Они используют крошечные реснички вокруг своего тела как множество весел, постоянно размахивая и загребая ими в борьбе с неумолимой силой гравитации. Благодаря их малому размеру энергозатраты не так велики и явно окупаются преимуществами жизни в толще воды, а не в придонном иле. На планетах меньшего размера с меньшей гравитацией животные, плавающие в толще воды, могут быть более крупными и многочисленными.
У других животных плотность тела меньше плотности текучей среды обитания, поэтому они держатся на плаву. На Земле это преимущественно водные животные, дышащие воздухом, например тюлени, которым выгодно затрачивать меньше энергии при всплывании, чем при нырянии. Для них мир перевернут. Как птицы в воздухе, они, перестав махать ластами, «упадут» вверх к поверхности воды. Их движения сходны с движениями птиц, стремящихся удержаться в воздухе, только тюлени стремятся удержаться не наверху, а внизу.
Для животных, не дышащих воздухом, всплывать подобным образом так же нежелательно, как для птиц падать с неба. Однако некоторые все же всплывают. Как ни странно, шестижаберная акула, похоже, обладает положительной плавучестью, и предполагается, что она использует свою способность бесшумно всплывать, чтобы атаковать добычу снизу. Среди животных, не дышащих воздухом, есть, однако, и такие, которые приспособились плавать на поверхности, потому что им выгодно обитать на границе между водой и воздухом, и здесь самый известный пример — португальский кораблик. Это медузоподобное существо использует пузырь, наполненный газом, чтобы держаться на поверхности, где оно кормится мальками рыб и планктоном в местах их скопления. Но кораблик умеет только дрейфовать. Он прикован к границе между средами, как, например, слон, но, в отличие от слона, он неспособен целенаправленно передвигаться по этой границе.
Многие морские создания, в первую очередь рыбы, обладают нейтральной плавучестью — они стремятся достичь той же плотности тела, что и окружающая их жидкая среда, чтобы не всплывать и вместе с тем не тонуть. Обычно они управляют своей плавучестью с помощью особых тканей, насыщенных жиром, которые легче окружающей жидкости, или специализированных органов, наполненных газом, которые компенсируют вес более тяжелых частей тела. Эти животные обладают самой большой свободой передвижения. Они могут двигаться вперед и назад, и единственным ограничением служит трение и сопротивление текучей среды, сквозь которую они плывут. Но у них есть и куда более удивительная способность: во время движения, когда окружающая вода обтекает их тело, они могут перенаправлять этот поток, например, с помощью плавников, и двигаться вверх, вниз, в стороны. Таким образом, поступательное движение в текучей среде открывает возможности двигаться в любом направлении, в том числе поворачиваться. Это плавное динамическое движение необычайно эффективно, что объясняет акробатические трюки летучих мышей и мурмурации (причудливые «воздушные танцы») огромных стай скворцов, которые используют воздушные потоки, а не водные — равно как и всех рыб от анчоусов до данио, а также дельфинов, чьи способности к водным маневрам вызывают головокружение у человека-наблюдателя.
Как только животное с нейтральной плавучестью начинает двигаться в текучей среде, оно становится крайне восприимчиво к мельчайшим изменениям направления потока, и его движение становится неустойчивым. Эволюция в этом случае должна выработать какие-то средства стабилизации, например плавники. Их, в свою очередь, несложно приспособить для того, чтобы перенаправлять этот поток текучей среды и обеспечивать маневренность. Трудно вообразить, что только на Земле животные обнаружили колоссальные преимущества динамического движения в текучей среде, так что иные планеты, наверное, кишат — ну, пусть не рыбой, но какими-то животными с похожим способом передвижения.
Передвижение в различных текучих средах
Нейтральная плавучесть и движение в пределах одной среды
Если вы обитаете в пределах лишь одной текучей среды — воды, воздуха, жидкого метана, вам понадобится прилагать силу в отсутствие твердой опоры. Маховые или загребающие движения дают некоторую силу, и, разумеется, большинство животных так и поступает. Отталкивая текучую среду назад, можно получить силу, толкающую вперед. Но точные механизмы плавания животных в подвижной среде невероятно сложны и, как ни удивительно, зачастую еще не до конца понятны. Рассмотрим, например, человека в бассейне. Если вы руками оттолкнете воду назад, вы создадите силу, которая потянет вас вперед, но что дальше? Чтобы сделать следующий гребок, вам придется вытянуть вперед руки, но это создаст силу, тянущую назад, так что в результате вы не сдвинетесь с места. Конечно, вы скоро освоите плавание брассом, при котором, меняя конфигурацию рук, можно уменьшать эту силу по сравнению с силой гребка. Как вариант — выучиться плавать кролем, когда руки выносят вперед в воздухе, а не в воде, уменьшая тем самым тянущую назад силу.
Летающие и плавающие животные используют похожие приемы, меняя конфигурацию органа, создающего силу (крыла, плавника и т.д.), так что силы не нейтрализуют друг друга. Но выигрыш часто бывает ничтожным. Знаменитое (правда, ошибочное) утверждение гласит, что по законам физики шмель не может летать, но поскольку он не знает законов физики, то все же летает. На самом деле большинство насекомых, птиц и рыб не смогли бы летать или плавать только за счет маховых движений крыльев или плавников. Но им это удается, поскольку они используют огромный арсенал маленьких хитростей в отношении динамики подвижной среды, чтобы увеличить прилагаемую силу. В частности, многие животные, использующие динамику текучей среды, при движении создают вихри, вроде тех небольших водоворотов, которые возникают, когда вы делаете гребок в бассейне. Они — побочный результат движения, производящего силу. В местах завихрений движение среды ускоряется, и можно «поймать» эти вихри, чтобы получить небольшой дополнительный толчок вперед. Многие рыбы плавают, симметрично изгибая хвост из стороны в сторону, и его конфигурация не меняется (в отличие от рук человека, плывущего брассом). Как в таком случае получается устойчивая сила тяги, заставляющая тело двигаться вперед? И в этом случае ответ кроется в создаваемых вихрях, но только благодаря новейшим исследованиям с использованием методов моделирования движения частиц воды позади рыбы удалось понять, насколько завихрения среды важны для движения животных. Когда хвост рыбы изгибается из стороны в сторону, он создает вращающиеся кольца воды, наподобие колец дыма из трубки. Эти кольца периодически меняют направление вращения и толкают рыбу вперед.
Движение в текучей среде (будь то жидкость или газ) представляется правдоподобным сценарием для иных планет, но задача получить достаточно сильную суммарную тягу вперед напрямую зависит от свойств этой среды. Завихрения образуются в любой текучей среде, и, поскольку других возможностей летать для шмеля не существует, естественный отбор скорее всего придет к аналогичным решениям и на других планетах. Инопланетные пчелы будут жужжать так же, как наши.
Помимо очевидных гребных движений крыльев птиц и насекомых либо плавников рыб, есть и другие способы передвигаться в текучей среде. Как уже упоминалось, микроскопические существа могут использовать покров из мелких волосков, так называемых ресничек, скоординированное биение которых и обеспечивает продвижение в воде. В основном этот способ пригоден лишь при очень малых размерах, однако загадочные гребневики (одна из древнейших форм животных; они похожи на медуз, но не приходятся им близкими родственниками) используют набор колеблющихся ресничек для плавания, правда достаточно медленного (1–2 см/с).
Еще больше впечатляет реактивное движение кальмаров, осьминогов и «живых ископаемых» наутилусов. Выбрасывая назад на большой скорости струю воды, они создают резкую тягу вперед, что позволяет умчаться от хищников. Но в то время, как наутилусы используют реактивную струю постоянно, кальмары и осьминоги двигаются так лишь в крайнем случае — реактивное движение кажется невыгодным по сравнению с гребными движениями рыб и птиц. Однако реактивная струя, подобная той, которую выбрасывают кальмары, использовалась их родственниками, аммонитами, которые были чрезвычайно широко распространены в древних морях на протяжении более 300 млн лет. При подходящих условиях использование реактивной струи, вероятно, вполне целесообразный способ передвижения на любой планете.
Текучие среды редко бывают неподвижными. Прежде всего, разницы температур, которые могут возникать из-за нагрева от солнца сверху или разогретых пород снизу, дают различия в плотности и давлении, в результате чего появляются течения, переносящие газ или жидкость с места на место. Животные могут отдаться на волю течения, позволяя ему нести их куда угодно, и многие планктонные организмы и другие морские существа поступают именно так. Но собственное движение среды, как ни странно, можно еще использовать и для получения сил, направленных в другие стороны, что позволяет животному двигаться, не прилагая значительных усилий.
Птицы, как известно, тяжелее воздуха, и потому их тянет вниз, что грозит им катастрофой. Но птицы умеют изменять угол наклона крыла таким образом, что восходящий поток создает подъемную силу, уравновешивающую вес птицы. Чудесным образом они приобретают «нейтральную плавучесть», совсем как рыбы. Эта подъемная сила, создаваемая потоком воздуха, и есть та сила, благодаря которой держатся в воздухе самолеты, — я это упомянул на тот случай, если вас интересует, почему сопла самолета направлены не вниз, а назад (многие рано или поздно задаются этим вопросом). Движение вперед создает воздушные потоки над крыльями, которые создают подъемную силу.
Необходимость держаться в воздухе при планировании несколько ограничивает возможности птицы произвольно менять направление полета, но помимо того, что поток воздуха обеспечивает подъемную силу, птицы умеют менять конфигурацию своих крыльев, чтобы создавать силу, направляющую их полет влево или вправо, — ведь и дельтапланерист до определенной степени может управлять полетом. Рыбы и насекомые затрачивают немало энергии, чтобы создать поток текучей среды над своими плавниками или крыльями, но альбатрос пользуется непрерывными воздушными потоками не только для того, чтобы парить над морем, но и для перелетов.
В этом разделе я хотел подчеркнуть, насколько непросто двигаться в текучей среде — и дело не в специфике текучих сред, характерных для Земли, а в том, что столь ненадежная подвижная среда не обеспечивает точки опоры. С другой стороны, преимущества жизни в текучей среде огромны: она гораздо меньше препятствует движению, чем твердая. Поэтому у животных возникли разнообразные способы использования текучей среды себе на благо. Насекомые летают — иногда с трудом, но всегда довольно эффектно, дельфины стремительно плавают и резвятся, выпрыгивая из воды, медузы неспешно передвигаются ритмичными толчками, а аммониты когда-то рассекали моря, выбрасывая струи воды. Нельзя быть до конца уверенными, что животные исчерпали все возможные техники передвижения в текучей среде, однако, похоже, земные текучие среды (главным образом вода и воздух) не обладают никакими специфическими свойствами, которые привели бы к появлению особых стратегий передвижения, характерных именно для этих сред. Нельзя, конечно, исключать возможность, что в других мирах существуют неизвестные нам способы движения, но можно быть уверенными, что по крайней мере некоторые из способов, наблюдаемых на Земле, встречаются и на других планетах.
В воде (или любой другой жидкости) достичь нейтральной плавучести значительно легче, чем в воздухе или другом газе. Вода примерно в 1000 раз плотнее воздуха, поэтому между жидкостями и газами существуют некоторые важные различия. Твердым телам трудно удержаться в воздухе, поэтому освоить атмосферу для животных оказалось намного труднее, чем океан. Теоретически возможно представить себе животное, парящее в воздухе благодаря газовому мешку, наполненному, вероятнее всего, водородом, который, кстати, способны производить многие бактерии и другие микроорганизмы в процессе метаболизма. Это был бы невероятно эффективный способ путешествовать вокруг света, питаясь всевозможным «атмосферным планктоном» подобно тому, как синие киты поглощают огромное количество криля в океане. Вместо того чтобы затрачивать большое количество энергии, как ласточки и летучие мыши в погоне за добычей, которая сама использует активный полет, чтобы удирать от них, такой небесный кит мог бы планировать без усилий, собирая по пути столь же пассивно парящие в воздухе микроорганизмы.
Подобное воображаемое создание получило название «фортовский пузырь» или просто «флоатер», но на Земле таких существ нет. Почему это так и могут ли фортовские пузыри оказаться обычным явлением на других планетах? Помимо опасности катастрофического возгорания, которое стало причиной крушения дирижабля «Гинденбург» и ознаменовало конец эры водородного воздухоплавания у людей, должна быть еще какая-то причина, по которой эволюция животных не пошла по этому пути. Все дело в вязкости. В воде мелкие организмы почти не тонут, даже если они тяжелее воды. Течения и завихрения удерживают их на плаву, и даже слабого трепетания ресничек достаточно, чтобы их крохотные тельца висели в толще воды. С воздухом все иначе. Даже микроорганизму будет крайне трудно парить в столь разреженной среде, как атмосфера. От ресничек не будет никакого проку, и только движение воздушных потоков — которое, правда, бывает очень мощным — могло бы удержать эти существа в воздухе. В действительности на Земле, если подняться высоко над поверхностью, не найдется воздушных микроорганизмов, которые могли бы стать аналогом питательного планктона, поэтому нет и парящих китов, питающихся ими.
Но на других планетах среда может быть более благоприятной для «фортовских пузырей» или летучих китов. В более плотной атмосфере, например, на газовом гиганте наподобие Юпитера или на планете поменьше, где гравитация слабее земной, микроорганизмы могут парить достаточно долго, чтобы вокруг них сложилась целая пищевая цепочка и экосистема. Однако попытка развить этот мысленный эксперимент дальше приводит к новым проблемам. Маленькой планете со слабой гравитацией трудно удержать атмосферу, которая будет улетучиваться в космос. У Марса сила гравитации втрое меньше земной, а атмосфера в 200 раз более разреженная. На текущий момент у нас недостаточно знаний о поведении атмосфер газовых гигантов типа Юпитера, но результаты наблюдений говорят нам, что это очень бурная и неспокойная среда, неблагоприятная для развития жизни.
Как я уже упоминал во втором разделе, некоторые ученые допускают, что микроорганизмы могут жить в облаках Венеры. Для того чтобы на основе подобного воздушного планктона сложилась целостная экосистема, куда будут входить и крупные, питающиеся планктоном, «киты», организмы должны в ходе эволюции увеличиваться и одновременно с тем не падать на поверхность планеты. В жидкости животным несложно расти и сохранять нейтральную плавучесть, но в газовой среде укрупнение организмов должно сопровождаться постепенным наращиванием органов плавучести (например, пузырей с водородом). Это маловероятно, но ни в коем случае не исключено. Если, впрочем, в таких местах действительно существует жизнь, ее земные аналоги лучше искать среди морских животных, питающихся планктоном, а не среди наших летающих существ.
Движение на границе твердой и текучей сред
Мы, люди, прикованы к земле, наравне с гусеницами и слонами, но при этом прекрасно справляемся с движением на границе сред, а некоторые из наших родственников — например, гепарды и страусы — демонстрируют в этом отношении потрясающее мастерство. Движение по твердой поверхности, вероятно, важнейший из способов передвижения животных на нашей планете, так как, по-видимому, первые клетки, а возможно, и сама жизнь зародились на границе между твердой и жидкой средами. Древнейшие формы жизни, существование которых достоверно доказано, — уже упоминавшиеся строматолиты — формировались на твердой поверхности, и предполагаемые одноклеточные, которые «паслись» на них, тоже передвигались по твердой поверхности, покрытой жидкостью. Древнейшие формы жизни, безусловно, очень тесно связаны с этим способом передвижения. Гравитация тянет вас вниз, а «вниз» в конечном итоге означает «на дно». Твердое дно, скорее всего, есть на любой планете. Так каким же образом можно передвигаться по твердой поверхности?
С упором на твердую поверхность создать силу для движения вперед гораздо легче, чем когда вы висите в текучей среде, но физические законы уже готовы подбросить вам коварную ловушку. Оттолкнуться от поверхности можно только при наличии трения, но трение снижает скорость. Это знакомо любому, кто пробовал кататься на коньках: конькобежцы способны мчаться невероятно быстро — но начинающие по большей части беспомощно скользят на месте, не в состоянии сдвинуться. Первые подвижные существа, возможно, напоминали одноклеточных амеб и ползали по поверхности, вытягивая вперед часть клетки, а затем подтягивая за ней остальное. В этом способе передвижения главное то, что в контакте с поверхностью постоянно находится вся клетка целиком. Поскользнуться вряд ли получится, зато много энергии уходит на противодействие трению. Это легко проверить в домашних условиях: попробуйте лечь пластом на ковер, вытянуться вперед и подтащить свое тело, не приподнимаясь с пола ни одной его частью. Дело это трудное и медленное. Чтобы освободиться от трения и вместе с тем продолжать использовать его для продвижения вперед, необходимо сократить контакт с полом до минимума — например, встать на ноги.
Ноги — позволяющие минимизировать контакт с поверхностью и вместе с тем отталкиваться от этой поверхности — настолько феноменально полезная адаптация, что трудно представить себе мир, где бы они не возникли в процессе эволюции. Среди земных животных, обитающих на поверхности суши или морского дна, вообще без ног обходится все-таки очевидное меньшинство (главным образом моллюски наподобие улиток и слизней), но подавляющее большинство приподнимает свое тело над поверхностью, избегая трения. Моллюски вполне могут занимать ниши, где ноги не так уж нужны — проблему трения они решают уникальным способом, выделяя скользкую слизь, — но всем известна медлительность улиток, и, хотя на других планетах могут обитать их аналоги, маловероятно, чтобы они стали господствующей формой жизни. Практически в любой среде у обладателей ног будет преимущество в скорости перед «слизняками». У змей тоже нет ног, но они происходят от ящериц, имевших ноги, и утратили их при адаптации к роющему образу жизни.
Ноги — несомненная адаптация к жизни на границе твердой и текучей сред. Тем, кто живет под землей или дрейфует в воде, они лишь мешают. Самые примечательные ноги у членистоногих, среди которых наиболее известны насекомые, пауки и крабы. Совсем другой тип ног независимо развился у позвоночных — рыб, которые приспособили свои плавники (использовавшиеся для движения в воде), чтобы приподниматься над грунтом. Многие рыбы, например глазчатая кошачья акула, и в наши дни «ходят» по морскому дну таким образом.
Но, что существенно, человеческие ноги устроены совершенно иначе, чем ноги паука. У членистоногих имеется твердый экзоскелет с мягкими тканями внутри; у позвоночных же твердые кости внутреннего скелета, а мягкие ткани расположены снаружи. Два эволюционных пути привели к функционально сходным решениям проблемы передвижения по поверхности, причем были задействованы совершенно разные механизмы. Какой из них лучше? Оба хороши, и выбор не имеет значения. Каждая из инноваций основывалась на особенностях плана строения тела предков, накладывавших свои ограничения. Ноги позвоночных устроены так, потому что у рыб есть скелет, а не потому, что так задумано с целью разогнать гепарда до 100 км/ч. Ноги членистоногих устроены так, потому что экзоскелет спасает от высыхания на суше, а способность членистоногих не высыхать сыграла ключевую роль для их феноменального успеха.
Из всего этого следует важный вывод: у животных на других планетах, скорее всего, должны быть ноги, хотя и не обязательно устроенные известным нам образом. На строение их ног также будет накладывать ограничение их собственная эволюционная история. Если живые существа обитают на планете, где есть граница между твердой и текучей средами (а не просто бездонный океан), то без ног, очевидно, никак не обойтись. Но их эволюция, вероятно начавшаяся от разных отправных точек, также приведет к целому спектру разнообразных решений.
Помимо ног членистоногих и позвоночных, на Земле можно найти еще два типа решения (есть и другие, вроде «ног» осьминога, но они используются главным образом для того, чтобы хватать пищу и другие объекты, а не для того, чтобы приподнимать тело над землей). У онихофор (в англоязычной традиции их называют бархатными червями, хотя с червями родство у них очень дальнее, сейчас их выделяют в отдельный тип) на каждой стороне тела имеется ряд своеобразных коротеньких ножек. В отличие от ног членистоногих и позвоночных, эти ножки лишены твердых частей и, по сути, представляют собой наполненные жидкостью выпячивания, которыми можно переступать, поочередно растягивая и удлиняя различные сегменты тела. Эти движения удивительно напоминают движения червя, но, в отличие от червя, онихофора не прижата к грунту всем телом, а касается его только кончиками ног, что делает ее бесшумным и эффективным хищником. Это очень древний способ передвижения, и возможно, давними предками онихофор были одни из самых диковинных и невероятных ископаемых животных, которых только случалось находить. Галлюцигения жила более 500 млн лет назад, и ее отчетливо сохранившиеся отпечатки было настолько трудно интерпретировать, что при первоначальной реконструкции животное, у которого одновременно имелись ряды как ног, так и шипов, оказалось перевернутым ногами вверх. Однако не вызывает сомнений, что это инопланетного вида существо ходило по морскому дну какими-то очень необычными ногами.
Четвертый тип земных ног принадлежит иглокожим — морским звездам и морским ежам, и это изобретение по причудливости затмевает даже галлюцигению. У морских звезд и других иглокожих твердый панцирь, пронизанный крошечными порами. Напрягая мускулы и открывая либо закрывая створки, они за счет нагнетания воды выталкивают часть плоти сквозь поры наружу, образуя короткие, похожие на щетинки, трубчатые, так называемые амбулакральные, ножки с присосками на конце. Благодаря этим многочисленным ножкам животное приподнимается над грунтом, и, скоординированно вытягивая и сжимая их, передвигается по морскому дну. Занятно, что движения этих ножек не синхронизированы, как во всех остальных случаях локомоции с использованием ног (у лошадей, жуков, даже у онихофор). Тем не менее с виду хаотическое движение множества ножек успешно направляет животное куда надо. Ножки иглокожих — важное напоминание нам о том, что привычные и наиболее знакомые эволюционные решения (обычно те, которыми мы пользуемся сами) представляют собой лишь малую долю всех возможностей. Не нужно фантазировать — достаточно просто поближе приглядеться к разнообразию решений, которые уже есть на нашей планете, чтобы представить себе возможные инопланетные экосистемы.
Так какой же тип планет благоприятен для живых существ, у которых ноги в основном отличались бы от наших? Особенности движения иглокожих просто поразительны, однако эти животные двигаются слишком медленно и редко — морские ежи обычно проползают не более нескольких сантиметров в день. Ясно, что в мире быстрых хищников вряд ли возникнет большое разнообразие животных с трубчатыми ножками. Конечно, морские ежи чаще всего увенчаны острыми иглами и не становятся легкой добычей для быстрых рыб (чьи передвижения ограничены текучей средой) или осьминогов и прочих хищников (передвигающихся по дну). Одно из возможных преимуществ многочисленных трубчатых ножек — умение справляться с неровной, труднопроходимой поверхностью. На пересеченной каменистой местности способность «ступать» по любой поверхности сама по себе может оказаться отдельным преимуществом. Острые выступы могут поранить большую ступню, но множество крохотных ножек позволяют безопасно пройти даже по битому стеклу.
Что еще важнее, многочисленные ноги или трубчатые ножки прекрасно подходят и для поверхностей с низким трением. На скользкой поверхности одна нога обеспечивает недостаточное сцепление и, соответственно, минимальную силу. Много мелких ножек в совокупности создают силу, способную привести животное в движение. Добавьте к этому какую-нибудь особо вязкую жидкость над твердой поверхностью, и животные с «традиционными» ногами окажутся в заметном проигрыше по сравнению с нашим гипотетическим инопланетянином, похожим на морского ежа. Это все равно что пытаться ходить по тефлоновой сковородке, наполненной маслом, и чем плотнее жидкость, тем большее сопротивление она оказывает, когда животное пытается набрать скорость.
Если обобщить вышесказанное, без ног трудно обойтись в любой экосистеме, существующей на поверхности. Они сокращают трение и таким образом увеличивают скорость животного, а скорость жизненно важна, чтобы поймать добычу или спастись от хищников. Этот ограниченный ресурс, время (в данном случае выражаемое через скорость) — такой же могущественный фактор, как пространство и энергия. Однако то, какими именно будут ноги, зависит одновременно от свойств твердой поверхности (гладкой или пересеченной, с низким или высоким трением) и текучей среды над ней (легкотекучей или вязкой). К счастью, у нас на Земле достаточно разнообразных адаптаций, чтобы мы могли представить себе хотя бы возможные механизмы, которые подошли бы в качестве потенциальных решений даже на планетах, невообразимо отличающихся от нашей.
Жизнь под землей
И в заключение рассмотрим животных, которые передвигаются внутри твердого грунта. Движение сквозь твердую среду представляется невозможным, и в определенном смысле так и есть, ведь твердое вещество не может обтекать вас, как вода или воздух. Но кроты, дождевые черви и некоторые другие животные, например роющие обитатели морского дна, все же ухитряются жить и двигаться в кажущейся твердой среде. Однако на самом деле в масштабах этих мелких животных почва не сплошь твердая, а просто состоит из твердых частиц, в промежутках между которыми достаточно текучей субстанции. Подземные животные в основном двигаются, попросту отталкивая твердые частицы с дороги или отгребая часть грунта перед собой назад — иногда почву для этого заглатывают и пропускают через кишечник, выбрасывая через анальное отверстие. Дарвина завораживало все, что имело отношение к дождевым червям, и он внимательно описывал механизмы их передвижения:
Способы выкапывания червями норок. — Это производится двумя способами: раздвиганием земли во все стороны и заглатыванием ее. В первом случае червь забирается вытянутым утонченным концом своего тела в какое-либо небольшое углубление или полость; и затем, как говорит Перрье, вдвигает сюда глотку, вследствие чего передний конец вздувается и раздвигает землю во все стороны.
В то время как дождевые черви совершают ритмичные волнообразные движения — цепляясь за окружающую почву передним концом тела и подтягивая вперед остальную его часть, — другие животные, например кроты, просто оттесняют землю к стенкам туннеля широкими лапами. Это возможно лишь потому, что земля на самом деле не монолит, она пронизана воздухом. В редких случаях животные по-настоящему роют ходы в твердой породе, или стачивая ее — как моллюски-камнеточцы, — или даже растворяя породу кислотой, как поступает другой двустворчатый моллюск, «морской финик» Lithophaga.
Однако целую экосистему, состоящую из подземных существ, представить себе трудно. Мы полагаем — причем с достаточной уверенностью, — что жидкость необходима для жизни. Химические реакции редко идут в твердых веществах и газах, поэтому для жизни непременно потребуется какая-нибудь жидкость. Даже если на планете большинство организмов обитает под землей, они, скорее всего, впервые появились и достигли разнообразия в текучих средах. На Земле подземная фауна, безусловно, довольно невелика, и большинство животных, которые все-таки обитают под землей, сохраняют жизненно важные связи с текучими средами. Сурикаты выходят из нор на поверхность кормиться, а живущие в песке моллюски выставляют наружу сифон, чтобы дотянуться до морской воды. Инопланетный мир с развитой подземной экосистемой стал бы величайшей неожиданностью, но вместе с тем редкой возможностью исследовать факторы, ограничивающие развитие жизни в условиях, которые мы, вероятно, даже не можем предсказать, исходя из наших знаний о биоразнообразии родной планеты.
Грозная симметрия: форма и движение
До сих пор мы обходили одну из господствующих и важнейших стратегий движения, которую мы принимаем как должное, не задумываясь, поскольку она распространена повсеместно. Это свойство присуще почти всему живому на Земле и настолько привычно, что мы даже не задаемся вопросом, можно ли встретить его на других планетах. Но весь предыдущий разговор о многочисленных, независимо двигающихся трубчатых ножках наводит нас на один из важнейших вопросов: будут ли пришельцы двигаться, как морской еж, в любом направлении без явных предпочтений? Или они будут обладать такой же симметрией, как мы, у них будут правая и левая, а следовательно, передняя и задняя стороны, а также выбор направления движения?
Почти все современные животные — заметное исключение составляют только губки, медузы, гребневики и кораллы, — а именно свыше 99% ныне живущих видов имеют правую и левую стороны. Такие животные называются двусторонне-симметричными или билатериями. Трудно переоценить, насколько важную роль этот план строения тела сыграл в эволюции движения животных на Земле. Двусторонняя симметрия может быть полезна, если вам приходится ползать, как пяденице, по твердой поверхности, приподнимая и вытягивая переднюю часть тела, а затем перенося ее чуть дальше вперед. Способность переместить свое тело «дальше вперед» подразумевает, что ваше тело вытянуто вдоль какой-то оси и относительно этой оси у него имеются правая и левая стороны. Первые ползающие существа, вероятно, напоминали современных плоских червей.
Преимущества двусторонней симметрии для движения животных настолько велики, что очень мало кто из животных не используют этот принцип. Если у вас есть передняя и задняя стороны, это значит, что вы понимаете, в каком направлении вы двигаетесь, и ваши органы передвижения (те же ноги) могут специализироваться таким образом, чтобы перемещать вас в нужном направлении. Лево-правая симметрия также открывает возможность особенно эффективной локомоции благодаря завораживающим волнообразным движениям конечностей. Манта (скат) и кальмар совершают такие движения плавниками, а многоножки скользят, волнообразно перебирая своими крохотными ножками. Ни одно животное, обделенное подобной симметрией, не может состязаться в скорости и эргономичности с теми, у кого есть правые и левые конечности, будь то ноги или хотя бы просто складки кожи.
Однако разобраться в исключениях из этого правила совершенно необходимо, если мы пытаемся определить, какие возможности могут существовать на других планетах и может ли в этих мирах появиться жизнь, по своему физическому строению полностью отличающаяся от той, что мы наблюдаем вокруг себя. Немногие виды, не относящиеся к билатериям, — это в основном кораллы и медузы. Кораллы вообще неподвижны, медузы же вяло плавают в открытом океане, питаясь планктоном и мелкими животными. Далеко не очевидно, что симметрия оказалась бы для медуз бесполезной. Они, безусловно, сталкиваются с опасными и (относительно) быстрыми хищниками, такими как морские черепахи, и, казалось бы, у медузы, способной извиваться вправо-влево, а значит, быстрее плыть, было бы больше шансов спастись. Но, очевидно, в той нише, которую занимают медузы, польза от более совершенного способа уплывать от хищников попросту не перевешивает преимуществ от сохранения примитивного плана строения тела и образа жизни. Одна из главных причин разнообразия жизни заключается в том, что отличаться от большинства сравнительно одинаковых форм — зачастую уже преимущество.
Любопытно, что некоторые виды изначально двусторонне-симметричных животных утратили этот тип симметрии тела и вернулись к более примитивному плану строения, надо полагать, потому, что в той среде, где они обитают, подобная геометрическая организация дает какие-то преимущества. Изучая подобные случаи, можно многое узнать о том, какие условия будут благоприятны, а какие неблагоприятны для возникновения двусторонней симметрии на других планетах. Эти отступники — наши старые знакомые, иглокожие со своими амбулакральными ножками. Они отказались от привычной двусторонней симметрии в пользу лучевой. О том, что изначально по своему происхождению морские звезды и ежи были двусторонне-симметричными, известно благодаря их мелким свободно плавающим личинкам, у которых явно имеются правая и левая стороны. Когда же они находят подходящее место, чтобы осесть и превратиться во взрослое животное, одна половина их тела почти целиком отмирает, и они приобретают заметно круглую или звездообразную форму. Зачем же они это делают?
Ответ, вероятно, связан с их ножками. В такой среде, где трубчатые ножки дают преимущество, — например, на неровной, пересеченной местности или скользкой поверхности в очень вязкой текучей среде — двусторонняя симметрия, оказывается, не так уж полезна. При опоре на множество независимо действующих ножек направленность теряет смысл. Иглокожие и, как я подозреваю, их инопланетные аналоги осторожно передвигаются на тысячах крошечных ножек, получая достаточное сцепление, в то время как быстроногое двусторонне-симметричное животное будет постоянно поскальзываться и падать.
А как насчет инопланетян? Движение на Титане и Энцеладе
Теперь, когда мы рассмотрели эволюционные требования к движению, можем ли мы строить предположения насчет инопланетян и проверять их? На двух спутниках Солнечной системы, которые считаются наиболее вероятными кандидатами на наличие там жизни, есть весьма интригующие условия — большие объемы текучих сред, в которых могла бы существовать жизнь. На Энцеладе, спутнике Сатурна, под более чем 30-километровым слоем льда скрывается океан соленой воды. Недавний анализ данных с космического зонда «Кассини» показывает, что этот океан покрывает весь спутник и может достигать 30 км в глубину (для сравнения, Марианский желоб — глубочайшая впадина земных океанов — глубиной около 11 км, но большинство земных морей не глубже 3–4 км). Разница в температуре и давлении между океаническим дном на Энцеладе и ледяной поверхностью, должно быть, огромна; маловероятно, что все это разнородное пространство целиком населено живыми организмами.
Какие бы формы жизни ни возникли на Энцеладе, они обитают либо на границе океана и ледяной коры, либо на дне океана или плавают в самом океане. Если верно последнее, то нет причин, по которым стратегии, выработанные эволюцией на Земле, — перемещение с помощью гребных движений, реактивной струи или бьющихся ресничек — не оказались бы идеально пригодными и для Энцелада. Но на границе воды и льда возможно формирование другой экосистемы. В отличие от морского дна, на котором шла эволюция земной жизни, на Энцеладе твердое «дно» находится над жидким морем. Существам, осваивающим эту нишу, понадобится положительная плавучесть, чтобы не тонуть. Выталкивающая сила преодолеет силу тяжести и займет ее место, так что их «вес» будет тянуть их вверх.
Во многих отношениях вся эта экосистема будет напоминать морское дно, только вверх тормашками. Нет причин, по которым все сложные сообщества земного морского дна не могли бы существовать в перевернутом виде на границе воды и льда на Энцеладе. Инопланетные аналоги крабов могли бы бегать по нижней поверхности льда, черви и другие мягкотелые создания — рыть во льду ходы для укрытия, хищники с глазами, обращенными вверх, — плавать в воде, высматривая на льду существ, на которых можно наброситься снизу. Даже на Земле на нижней стороне айсбергов обосновалась простейшая экосистема из водорослей и организмов, ими питающихся. Впрочем, главная проблема подобной экосистемы в том, что мертвые животные, скорее всего, будут тонуть (так как твердые тела плотнее воды), лишая экосистему одного из главных источников пищи, поддерживающего жизнь на морском дне. Там не будет дождя органики из мертвого планктона — трупики там будут «возноситься» со «дна» и безвозвратно исчезать в глубинах!
У другого спутника Сатурна, Титана, на поверхности есть реки и озера, там идет дождь, размывающий горы и стекающий в море. Однако там чересчур холодно для жидкой воды — около минус 180 °С. Жидкости на Титане — это углеводороды, которые на Земле были бы газами: метан и этан. Радиолокационные измерения, проведенные зондом «Кассини», показали, что, хотя там и нет бездонных глубин, подобных подледному океану Энцелада, некоторые озера Титана достигают в глубину 160 м, что сравнимо с озером Лох-Несс в Шотландии. Если в этих озерах есть жизнь, она основана на биохимии, столь непохожей на земную, что ее практически невозможно достоверно описать.
Однако механизмы, которые подобная жизнь может использовать для передвижения, вероятно, будут не слишком отличаться от тех, которыми пользуются животные озера Лох-Несс. О свойствах жидких озер Титана еще многое неизвестно, но считается, что они состоят в основном из метана, который в шесть раз более текуч, чем вода. Поэтому в обогащенном метаном озере стратегии движения, возможно, будут больше напоминать передвижение земных обитателей в воздухе, а не в воде. Эффективность гребных движений лапами или плавниками будет намного ниже, а движений микроскопических ресничек в текучей жидкости может оказаться вовсе недостаточно, чтобы удержать мелкие организмы на плаву в толще жидкого метана.
С другой стороны, тщательные наблюдения за отражениями солнечного света от поверхности показывают, что на Титане, скорее всего, не бывает волн выше нескольких миллиметров. Возможно, там практически нет ветра либо озера обладают большей густотой и вязкостью, чем представлялось ранее. Во время экспериментов в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института были смоделированы условия, существующие на Титане, и обнаружилось, что там, вероятно, бензолы выпадают в виде снега, попадая в озера и образуя густой насыщенный раствор, наподобие солевого раствора Мертвого моря в Израиле. В такой среде реснички или реактивный сифон могут оказаться более полезными, а густая, липкая, как суп, консистенция жидкости будет крайне благоприятна для медленных, скорее даже роющих движений; там возможно даже появление трубчатых ножек. Но даже если относительные преимущества различных механизмов будут отличаться, арсенал техник движения останется прежним.
***
Мы не можем с уверенностью утверждать, что представленный обзор стратегий передвижения на Земле полностью исчерпывает все возможные стратегии во Вселенной. Но, начав разговор с физических характеристик движения, мы убедились, что практически все мыслимые механизмы уже реализованы на Земле. Если физическая среда иной планеты хотя бы отчасти напоминает земную, можно не сомневаться, что, по крайней мере, некоторые способы передвижения обитающих там животных покажутся нам очень знакомыми. Конечно, должны существовать и весьма странные планеты, населенные странными существами, передвигающимися странными способами, но в большинстве иных миров будут наблюдаться ограничения, близкие к земным, и, соответственно, похожие решения. Механика движения слишком однозначна, слишком последовательна, чтобы допускать возникновение совсем уж невероятных стратегий передвижения. Живые организмы, обитающие во Вселенной, скорее всего, передвигаются так же, как земные.
Разумеется, может оказаться, что инопланетные создания физически резко отличаются от тех, что окружают нас. Возможно, они могут беспрепятственно проходить сквозь твердую породу, потому что сами не твердые. Могут ли существовать газообразные существа? Мы не можем полностью исключать такой возможности, но считаем ее маловероятной, потому что жизнь по своей природе, по-видимому, связана с концентрацией энергии в одном месте, а не с рассеиванием ее. Но даже если допустить возможность существования газообразных инопланетян, можно не сомневаться в том, что они встречаются редко по сравнению с заключенными в некую оболочку существами вроде нас, чей выбор ограничен элементарным набором стратегий передвижения, как это происходит на Земле.
Таким образом, мы можем быть уверены, что большинство инопланетных животных окажутся двусторонне-симметричными. У многих обитателей границы между твердой и текучей средами непременно будут ноги, которые, вероятно, не сильно отличаются от знакомых нам. Инопланетянам, живущим в неплотной текучей среде наподобие воздуха, придется парить, словно аэростатам, или использовать воздушные потоки для создания подъемной силы, чтобы не упасть. Обитатели более плотной текучей среды, такой как вода, могут обладать нейтральной плавучестью, при этом двигаться вперед за счет гребли, изгибания тела или реактивной струи. Как это ни удивительно, инопланетный ландшафт скорее всего покажется нам узнаваемым с первого взгляда, всего лишь благодаря знакомым способам передвижения обитателей этого мира!
