Чувства животных и человека

Глава 9 Шоковая информация

С тех пор как человек приобрел способность что-либо чувствовать, он узнал, что при сильном ударе по глазу возникает ощущение света и боли. Даже удар по голове может оказаться достаточным механическим раздражением для того, чтобы у нас «искры из глаз посыпались». Однако до конца 20-х годов прошлого столетия этому явлению не было дано никакого научного объяснения. Именно тогда выдающийся немецкий физиолог Иоганнес Мюллер в возрасте чуть более двадцати лет неожиданно понял, что назначение нерва определяет смысл передаваемой по нему информации. Та часть мозга, к которой подходит от глаза оптический нерв, может воспринимать пришедшие сигналы только в виде зрительных ощущений, хотя особенно сильные возбуждения могут распространяться и на другие области мозга, вызывая ощущение боли.

Нервные сигналы, приходящие от глаза, носа и других частей тела, являются однотипными. Они представляют собой электрохимические изменения, которые пробегают по нерву с большой скоростью (свыше 120 метров в секунду) в виде дискретных импульсов продолжительностью около 0,0001 секунды. Если раздражитель сильный, импульсы могут следовать один за другим каждую тысячную долю секунды. Или нерв может передавать их с большими интервалами, часто в виде вспышек активности, что дает мозгу дополнительную информацию, записанную в простом коде.

Хотя нервный импульс — это не электрический ток (и он не распространяется со скоростью света — 300 000 километров в секунду), после электрического раздражения все нейроны начинают генерировать импульсы. Уже в 1943 году стало ясно, что при раздражении различных участков кожи человека одинаковыми высоковольтными электрическими импульсами в мозгу возникают ощущения тепла, холода, боли, давления и прикосновения в зависимости от того, на какие нервные окончания оказывали воздействие. Эти же раздражители, приложенные к языку, создают дополнительные ощущения горечи, солености, кислоты или сладости в зависимости от возбуждения определенных рецепторных систем.

Мы действительно не можем ощущать электричество. Ни один из наших органов чувств не приспособлен для «настораживания» нашего мозга, когда мы получаем раздражения такого рода. Напротив, каждый анализатор проявляет особую чувствительность к каким-то «своим» сигналам. Что касается типа этих сигналов, то его определяет наш мозг, который расшифровывает информацию, приходящую к нему по нервам, связанным с определенным органом чувств. Сами по себе все эти нервные посылки однотипны и похожи на те, которые мозг передает мышцам, когда мы хотим совершить произвольное движение. Они совершенно непричастны к ощущениям покалывания или внезапной судорожной боли, которые мы чувствуем при сильном сокращении мышц в ответ на раздражение их электрическим током. Нормальные нервные импульсы вызывают активность мышц при гораздо меньшей затрате энергии, и при этом управление ими осуществляется лучше.

Недавно в Германии один нюрнбергский часовой мастер удачно использовал способность человека спокойно переносить электрические раздражения. Он предложил продавать электрические будильники для глухих. Силу электрического импульса, воспроизводимого в назначенное время, мог регулировать сам засыпающий человек.

В настоящее время автомобилистам предлагаются подобные «ударные» приспособления, которые, возможно, избавят их от штрафа, так как повысят эффективность новых приборов, улавливающих сигналы радиолокатора. Такой прибор, который предупреждает водителя, превышающего дозволенную скорость, о том, что он попал в зону радиолокационного контроля, установленного на шоссе полицией, часто не может вовремя привлечь внимание шофера. Дело не только в том, что организм человека нечувствителен к самим сигналам радиолокатора, он также может не обратить внимания и на слышимые звуки, если они примешиваются к разговору в машине или передаче по радио. Стоит водителю нажать на тормозную педаль чуть позже положенного срока, как радиолокатор зафиксирует это и передаст по радио разъезжающему в машине автоинспектору, чтобы он вручил повестку в суд нарушителю правил уличного движения. Если провинившийся водитель получит более сильные сигналы, например импульсы электрического тока, то он, вероятнее всего, снизит скорость машины до дозволенной, прежде чем попасть в зону, контролируемую радиолокатором.

Отсутствие у человека специальных органов, чувствительных к току, соответствует нашей общей невосприимчивости к тем электрическим импульсам, которые производит каждая работающая железа и любая сокращающаяся мышца. Количество этого электричества слишком незначительно, чтобы повлиять на находящийся поблизости нерв. Тем не менее если на открытое работающее сердце положить нерв, ведущий к мышце ноги, то нога начнет дергаться в ритме сердечных сокращений. Сердце человека вырабатывает достаточное количество электрического тока, чтобы вызвать ритмические изменения потенциала от 0,002 до 0,01 вольта, которые можно обнаружить на поверхности груди человека. Эти изменения могут быть усилены и записаны в виде электрокардиограммы, по которой кардиолог может судить, насколько нормально работает сердце. Очень слабые электрические токи, возникающие при работе мозга, известны как мозговые волны; их можно также уловить на коже головы и, значительно усилив, зарегистрировать в виде электроэнцефалограммы. Это очень важно при определении нарушений работы мозга, и недавно такие токи начали использовать, чтобы узнать, проникают ли в мозг глухонемого ребенка сигналы инструкции и воспринимает ли он их.

Небольшие количества электричества, генерируемые активными клетками, обычно не приводят к какому-либо известному эффекту. Тем не менее если вызвать электрические изменения в среде, где обитает множество отличных от человека живых организмов (от одноклеточных до рыб), то эти изменения вызовут определенные реакции. Уже почти пятьдесят лет науке известно, что крошечная туфелька, микроскопическое животное Paramecium, может определять направление электрического тока, проявляя при этом чувствительность, которой не обладает человек. Здесь, в микроскопической клетке, заложено чувство, которое имеет необыкновенно широкую область применения. В капле воды из пруда, к которой от полюсов батареи с двух сторон подводили проволочки, наблюдали за бесчисленными парамециями. Они всегда плыли по направлению к отрицательному полюсу. Хотя это удивительное чувство, по-видимому, совершенно не нужно одноклеточному организму, человек увидел в нем принцип, который он мог бы применить к направленному разведению животных.

Мужские половые клетки млекопитающих реагируют на постоянный электрический ток следующим образом: сперма, порождающая самцов, движется в одном направлении, а порождающая самок — в противоположном. Это различие было использовано в экспериментальных и коммерческих целях при искусственном осеменении, когда животноводы хотели, чтобы в их стадах или гуртах появился молодняк одного пола. Такой метод далек от совершенства, однако он значительно лучше, чем случайное скрещивание.

Гораздо более разумное применение получило электричество при разделении рыб, чувствительность которых от вида к виду значительно варьирует. Форель и осетровые, подобно многим другим ценным промысловым рыбам, искусно избегают пульсирующих электромагнитных полей, которые образуются в реке от свисающих вниз проводов. V-образное заграждение такого рода заставляет рыб, идущих против течения, отклоняться от курса и приводит их в специальный проверочный загон, расположенный в нижней точке V. Там ненужную рыбу удаляют, а остальную пропускают дальше. А вот бесчелюстные миноги во время своих миграций против течения, по-видимому, гораздо менее чувствительны к этому барьеру; они часто натыкаются на него и погибают от удара электрическим током.

В течение 1956 года США и Канада вложили почти три миллиона долларов в строительство таких электрических заграждений на реках, впадающих в озера Верхнее, Гурон и Мичиган; это строительство преследовало цель задержать идущих на нерест паразитических миног и, следовательно, уменьшить количество этих пожирателей рыб в верхних Великих Озерах. Пользу от такого рода мер можно ожидать после 1963 года. До этого времени молодые миноги, развившиеся из икры, которая еще в «добарьерный» период была отложена их родителями, будут каждую весну и осень беспрепятственно спускаться вниз по реке и нападать на любую крупную рыбу, которую они могут встретить в верхних Великих Озерах.

В период с 1956 по 1958 год было сделано несколько удивительных открытий, связанных с поведением пресноводных миног. Почему эти виды настолько нечувствительны к электрическим барьерам, что натыкаются на них, тогда как почти такие же морские миноги находят добычу подобно радару, используя как подводный радиолокатор свою чувствительность к электричеству? Морские миноги всегда приходят в возбуждение от одного присутствия в воде минимального количества химических веществ, выделяемых рыбами, которыми они питаются. Но только одной химической чувствительности недостаточно для захвата добычи, если, конечно, миноги не наткнутся на нее случайно. Их глаза настолько атрофированы, что они уже не могут приносить какую-либо пользу в данном случае. Вместо этого любая морская минога в возбужденном состоянии излучает короткие электрические импульсы («спайковые потенциалы»). Каждый такой импульс представляет собой электрический ток, который из одной части тела миноги через воду попадает в другую. По-видимому, минога воспринимает любые изменения, которые претерпевает посланный ею импульс. Обычно такое изменение означает, что не далее чем сантиметрах в десяти от головы миноги находится какой-то объект, отличающийся по своей электрической проводимости от воды. Часто этот объект оказывается рыбой, к которой минога тут же присасывается бесчелюстным ртом и начинает «просверливать» отверстие, добираясь до питательной крови и соков.

Если чувствительность миног к электричеству действительно так тесно связана с поисками добычи, то тем самым легче объяснить, почему они натыкаются на электрические барьеры. Как морские, так и пресноводные миноги в Великих Озерах, достигнув зрелости, перестают питаться. Они направляются в верховья рек, где проводят свой «брачный период», выпуская молоки или икру, и погибают. Когда начинается их последний пост, миноги, возможно, просто перестают обращать внимание на свои органы чувств, воспринимающие электрический ток. Можно предположить и другое — миноги в любом возрасте исследуют каждое изменение излучаемого ими пульсирующего электрического поля, в том числе и вызванное проволочным барьером, воздвигнутым для того, чтобы убить их электричеством.

У миног было открыто «шестое чувство», поскольку ученые решили узнать об этих животных все, что можно; они главным образом стремились выяснить, почему пресноводные миноги в отличие от морских уничтожают больших рыб. Паразитирующие миноги не представляют серьезной опасности для морского рыболовства, за исключением тех случаев, когда они уничтожают пойманную рыбу, которая, естественно, не может выбраться из сети.

Вероятно, здоровая морская рыба, обладающая не большей чувствительностью к электричеству, чем пресноводная, чувствует приближение морской миноги, когда у нее еще есть время для спасения. В океане миноги могут успешно охотиться только на больных непроворных рыб. В этом смысле они выполняют в морской среде ту же роль, что волки и львы на суше. Эти хищники уничтожают главным образом больных и старых животных; запасы пищи у них исчерпываются редко.

В пресных водах происходит борьба между миногами и рыбами, которая носит местный характер. Она представляет собой новое явление эволюции. Миноги, которые принадлежат к группе самых древних позвоночных животных, по-видимому, обитали только в море, почти до самого конца великого ледникового периода. Затем, с установлением нового климата на Североамериканском континенте, который постепенно освобождался от бремени льда, миноги оказались «запертыми» в некоторых пресноводных озерах, протянувшихся от озера Шамплейн вдоль вермонтской границы до Фингеровских озер в верхней части штата Нью-Йорк и до озера Онтарио. Именно из озера Онтарио в период с 1935 по 1948 год миноги по сооруженным человеком каналам проникли в верхние Великие Озера и нанесли там ущерб промышленному рыболовству.

Челюстноротые рыбы с давних пор обитали в пресных водах, но до недавнего времени им не приходилось сражаться с миногами. Однако они настолько чувствительны к электромагнитным полям, что обходят электрические барьеры. Эта способность, которая кажется лишней для существования в пресной воде, возможно, была необходима в те далекие времена, когда рыбы вторглись в моря, где миноги уже были «старожилами».

Нет ничего парадоксального в том, что чувствительность рыб к электричеству позволяет им заметить приближающуюся миногу только в соленой воде, а не в пресной. Хорошо известно, что пресная вода — плохой проводник электричества, тогда как морская — довольно хороший. Однако и в пресной воде миноги могут искать рыбу с помощью электрических импульсов, даже несмотря на то, что обнаружить добычу здесь можно лишь подплыв к ней на более близкое расстояние, чем в море. В пресной воде миноге выгоднее полагаться на сигналы электромагнитного поля, чем на зрение, поскольку пресная вода гораздо мутнее океанской. Только в очень мелких реках и озерах свет проникает до самого дна. Часто пресная вода бывает настолько мутной, что на глубине всего лишь нескольких десятков сантиметров глаза становятся почти бесполезными; поэтому рыбы, полагающиеся на них, оказываются в невыгодном положении. Возможно, из-за более слабой электропроводности пресной воды, а также ее большей загрязненности рыбы в озерах становятся жертвами миног, а в океанах успешно спасаются от них.

Источник электрической энергии у миног пока еще не открыт. Не обнаружены также и чувствительные органы, с помощью которых миноги улавливают изменения в характере электрических импульсов, которые распространяются через окружающую их воду. Однако электрические органы рыб известны уже в течение почти двух столетий. Они привели в недоумение еще Чарльза Дарвина, который писал в «Происхождении видов», что «электрические органы рыб представляют… исключительное затруднение, потому что трудно представить себе, через какие ступени могли проходить эти изумительные органы… они встречаются почти у дюжины различных рыб, из которых иные связаны только очень отдаленным родством». Дарвин был уверен, что самые ранние предки рыб не генерировали электричества. Однако как же еще могли появиться электрические органы у рыб с таким дальним родством?

До 1958 года считали, что животные используют электрические органы только для нападения и защиты. Затем у африканской пресноводной рыбы, напоминающей угря, у которой, как было известно, электрические органы очень слабо развиты, обнаружили чувствительность к электромагнитному полю, похожую на ту, которой обладают морские миноги. У другой африканской рыбы возле спинного плавника был обнаружен небольшой чувствительный орган, реагирующий на короткие электрические импульсы продолжительностью всего лишь в 0,0001 секунды. Оказалось, что рыба-нож Eigenmannia, живущая в теплых водах вдоль Атлантического побережья Америки, имеет электрический орган возле кончика длинного хвоста. Посылая в воду с помощью этого органа импульсы электрического тока, она, «пятясь задом», опускается в небольшие ямки или использует хвост в качестве зонда при исследовании окружающих ее объектов. Все эти открытия могут изменить наши представления о способностях водных животных воспринимать различные сигналы. Уже и сейчас заполнены некоторые пробелы в наших знаниях, которые вызывали у Чарльза Дарвина такое недоумение.

О существовании электрических органов у рыб стало известно вскоре после того, как открыли само электричество. До этого на протяжении двух тысячелетий никто не мог объяснить, каким образом квадратный скат Torpedo может оглушать маленьких рыбешек, чтобы потом съесть их. Аристотель описывал, как этот хорошо знакомый всем обитатель Средиземного моря «заставляет цепенеть животных, которых он хочет поймать, пересиливая их силой удара, живущего в его теле. Это явление действительно наблюдалось». У Torpedo впереди, рядом с глазами, по обе стороны его плоского тела, расположены большие почкообразные электрические органы. С их помощью он может производить удар за ударом с напряжением по крайней мере в 220 вольт.

Электрический скат Torpedo, как и другие скаты с электрическими органами, по своему поведению очень напоминает биологически далеких от них звездочетов, которых можно встретить вдоль Атлантического и Тихоокеанского побережья на юге Северной Америки. Все эти морские рыбы неподвижно лежат на дне и ждут, когда мимо них проплывет рыба, которую можно поймать. Внезапным ударом электрического тока они оглушают рыбу, как будто бы произвели подводный взрыв. Затем скат или звездочет пожирают оглушенную жертву.

Другие виды электрических рыб — это главным образом жители пресных вод, обитающие чаще всего в таких мутных водоемах, где зрение почти не помогает им при поисках пищи. В Ниле и других пресноводных водоемах тропической Африки обитает электрический сом, чье тело окружено электрическим органом подобно оболочке, простирающейся от жабер до основания хвоста. Было установлено, что разряд его электрического органа достигает 350 вольт. Амазонка, Ориноко и другие реки северо-восточной части Южной Америки являются обиталищем самой мощной из всех известных электрических рыб — угреобразного Electrophorus'а. Почти двухметровые рыбы заставляют прыгнуть стрелку вольтметра до цифры 550 вольт и производят достаточно тока, чтобы полдюжины стоваттных лампочек вспыхивали, как электрическая реклама.

Туземцы племен, живущих по далеким притокам этих южноамериканских рек, до сих пор весьма своеобразно используют потомков лошадей, завезенных туда португальскими и испанскими колонистами. В местах брода этих рек, там, где водится много электрических угрей, местные жители у каждого берега держат на привязи лошадей. Когда кому-то нужно перейти реку, он вначале гонит перед собой лошадей; сам идет вслед за ними, а затем ловит их и гонит назад, на другой берег, к привязи. Электрические угри разряжают батареи о ноги лошадей и не успевают перезарядить это оружие, так что люди переходят реку невредимыми.

Главные электрические органы этого страшного угря расположены по бокам вдоль всего тела рыбы, от головы и до хвоста. И как бы не довольствуясь этим, угорь обладает дополнительным более слабым электрическим органом, простирающимся вдоль нижней поверхности тела почти по всей длине. Еще один такой орган находится на хвосте. Все они напоминают соответствующие образования у других электрических рыб, так как тоже представляют собой организованное в определенном порядке множество дискообразных клеточек, каждая из которых производит ток напряжением менее 0,14 вольта. Электрический орган угря состоит из 6–10 тысяч таких маленьких генераторов, расположенных в каждом из 70 рядов. Все вместе они занимают около 40 % поверхности взрослой рыбы. При одновременном разряде всех электрических батареек голова рыбы оказывается заряженной положительно, а хвост — отрицательно. Между этими двумя полюсами в окружающей рыбу воде протекает электрический ток, который поражает все вокруг и при помощи которого угорь оглушает свою жертву. Соответствующий ток протекает и внутри самого угря, но жизненно важные органы, такие, как нервная система и плавательные мышцы, по-видимому, электрически изолированы от него жировой тканью. Вероятно, поэтому электрический угорь не убивает себя или других электрических угрей.

Рыбы, способные генерировать электрический ток высокого напряжения, пользуются им как орудием для оглушения добычи. Следует предположить, что они не особенно разборчивы и руководствуются исключительно электропроводностью любой подвернувшейся им жертвы. Они готовы проглотить любой предмет соответствующего размера, если только он проводит электричество. В желудках некоторых электрических угрей были обнаружены куски железа.

Наверное, большинство рыб, электрические органы у которых недостаточно сильно развиты для того, чтоб оглушить жертву, использует их только для навигации. При каждом импульсе электрического тока тело их превращается в батарею с положительным и отрицательным полюсами. У каждой такой рыбы слабый электрический ток распространяется в воде вокруг нее особым способом, характерным для данного вида рыбы. Этот характерный рисунок электрического поля в воде видоизменяется под действием множества внешних причин. Его немного искажает магнитное поле Земли, причем характер этих искажений меняется в зависимости от того, в каком направлении плывет рыба: на запад, восток, север или юг, вверх или вниз. Сильный магнит, спрятанный в илистом дне, еще больше меняет характер электрического поля и вызывает подобные же изменения, стоит только рыбе повернуть в другую сторону.

Любой предмет, находящийся около рыбы, которая генерирует электрические импульсы, будет влиять на конфигурацию поля, если его электропроводность не равна электропроводности воды, окружающей тело рыбы. Слой более теплой или более холодной воды может оказать подобное действие. Если бы рыба обладала достаточной чувствительностью к малейшим изменениям, происходящим в тех местах ее тела, откуда исходят и куда вновь входят электрические импульсы, она могла бы узнать очень многое об окружающем ее мире.

Некоторых угреобразных электрических рыб из Нила обучали реагировать на постоянное поле, создаваемое спрятанным постоянным магнитом; это означает, что на них действительно воздействуют такого рода черты окружающего водного мира. Эти рыбы способны также определить местоположение многих предметов, висящих в аквариуме, и опознать те из них, которые хорошо проводят электрический ток (такие, как кусочки металла или мяса), и те, которые являются диэлектриками (например, осколки керамических и пластмассовых материалов). Обычно рыбы используют это свойство, чтобы избегать любых препятствий, искажающих характер их электрического поля.

Рыбы, обладающие такими свойствами, удивительно чувствительны. Они реагируют даже на очень слабый электрический ток, при градиенте потенциала всего лишь 30-микровольт на сантиметр. Столь тонкая улавливающая система должна почти непременно реагировать на присутствие другой рыбы. По-видимому, именно это свойство позволяет сельди и другим стадным рыбам путешествовать ночью плотными косяками — явление, которому ихтиологи давно и безуспешно пытаются найти объяснение. Если каждая рыба поддерживает определенное положение по отношению к другим рыбам своего косяка, используя для этого свою электрическую чувствительность, то весь косяк может еще больше погружаться в воду или менять направление совершенно синхронно, не полагаясь при этом ни на свет, ни на звук. Это, должно быть, трехмерный эквивалент созданного человеком радиолокатора; тем самым рыбы имеют бесспорное преимущество перед наземными животными. Мигрирующие по ночам птицы совершают свои перелеты в одиночку, так как без света они не способны собраться в организованную стаю, которую мы видим днем.

Обладая высокой чувствительностью к изменениям создаваемого ею самой пульсирующего электрического поля в окружающей водной среде, рыба, вероятно, может использовать и постоянное магнитное поле Земли. Невольно напрашивается вопрос, не полагаются ли лососи, находящиеся далеко в Тихом океане, на электромагнитный компас такого рода, когда определяют свой курс домой к американской реке, где они родились.

Еще несколько лет назад ученые едва ли согласились бы с мнением, что какое-либо животное способно реагировать на магнитное поле Земли. Но в последнее время эта идея привлекает к себе все большее внимание. Недавно доктор Фрэнк А. Браун из Северо-западного университета представил статистически обработанные данные, показывающие, что обыкновенная речная улитка Nassarius несомненно улавливает постоянное магнитное поле. И геомагнитное, и искусственное поля, в десять раз большие по силе, изменяли направление, в котором двигалась улитка.

Мы склонны считать, что позвоночное животное должно делать лучше все то, что в состоянии сделать улитка. Но когда и улитка и позвоночное обладают каким-то свойством, которого лишен человек, мы задумываемся — а не присуще ли это свойство всему животному миру? Мы можем предположить, что некоторые живые организмы, близкие друг другу, могли бы использовать для общения между собой вариации электрического поля. Они могли бы изменять частоту пульсации и характер импульсов создаваемого ими электрического тока в окружающей воде. Такой неслыханный доселе метод связи оказался бы эффективным только для близких расстояний, поскольку электрическое сопротивление воды очень высоко. Однако это было бы скорее преимуществом, чем недостатком, так как секреты хранились бы в тайне. Может быть, мы назвали бы такие низковольтные сигналы электрическим шепотом? Тогда шоковые разряды электрического угря, которыми он оглушает находящихся поблизости рыбешек для своего обеда, следовало бы назвать электрическим криком!

В настоящее время нам важно выяснить детали, касающиеся анатомии миног, рыб, улиток, а также механизма использования подводных электрических импульсов. В то же время инженерам брошен новый вызов. Сумеют ли они смоделировать электрочувствительную систему подводных животных, увеличив ее до размеров, при которых она будет полезной человеку? Мы видим, что принципы аэродинамики одинаково применимы к летающим рыбам, планирующим альбатросам и межконтинентальным реактивным самолетам. Без сомнения, человек найдет более широкое применение принципам электрической чувствительности, которые он обнаружил у других живых организмов, и создаст столь же важные устройства для работы под водой. Это может привести к внезапному разрешению проблемы подводной радиосвязи или радиолокации или к совершенно новому пониманию подводного мира, который наши предки покинули так много веков назад.