Невидимые помощники науки

Нашу планету населяют миллиарды существ, многих из которых мы не замечаем из-за их микроскопического размера. Между тем, секреты выживаемости их видов лежат в основе многих открытий человечества. И свой вклад в науку внесли светлячки, клещи, стрекозы, мотыль и даже лопух.  Рассказываем, каким открытиям мы обязаны этим новаторам.

Люминесценция светлячков

Около полутора миллионов лет назад на Земле наши далекие предки приручили огонь. И это открытие стало серьезным основанием для начала доминирования человека над другими видами живых существ. 

Одной из главных заслуг огня в истории цивилизации стало освещение. Ведь наши органы зрения не приспособлены к непроглядной тьме так хорошо, как глаза кошек, а к свету огня хищники приближаться боятся. Так свет стал нашим величайшим изобретением. Но за миллионы лет до людей его стали использовать… самые обыкновенные жуки — светлячки. 

В основе процесса свечения — биохимическая люминесценция, аналог которой у людей появился только в ХХ веке. Это так называемые ХИС- химические источники света. Палочки, которые при сгибании начинают светиться, содержат в себе стеклянную колбочку с химическим компонентом, а между колбой и пластиковой стенкой находится катализатор. При сгибании палочки стекло разбивается и вещества вступают в реакцию, рождая у нас в руках искусственного светлячка. Правда не такого долговечного как оригинал.

— Светящийся орган светлячка, по сути, представляет собой некую химическую фару. У него есть особые лантерные участки брюшка, в которых много жировой ткани и сосудов, приносящую туда гемолимфу, богатую кислородом. И в них находится белок люциферин. А задняя стенка этого лантерна выстлана кристаллами мочевой кислоты, которая работает по подобию рефлектора фары.  Когда светляку надо зажечь фонарь, туда поддается фермент люцифераза, которая вместе с кислородом, и аденозинтрифосфатом вызывает реакцию интенсивного свечения, заметного издалека, — зоолог Ос Арутюнян.

Изначально этот сигнал использовался для отпугивания хищников и предупреждение о ядовитости жуков, а потом они стали применять его и для привлечения самок. 

В природе вообще часто одно и то же приспособление выполняет противоположные функции. Например, божьи коровки выбирают себе в партнеры особей с наиболее яркой окраской, тем самым закрепляя в потомстве гены интенсивной, отпугивающей ливреи. Вот и светлякам стали нравиться партнеры, которые светились наиболее ярко, и признак начал закрепляться и эволюционировать. Это так называемый половой отбор. 

Регуляция плавучести

Строить субмарины человек научился у рыб. Когда субмарине нужно погрузиться — система заполняет балластные цистерны водой, увеличивая свою плотность. А для подъема — закачивает в них воздух. 

Но одно прозрачное и миниатюрное живое существо разработало совершенно уникальную систему регуляции плавучести. Это личинка комара-коретры. Это ничем не примечательное насекомое даже не является кровососом. Но его мотыль-призрак — еще тот хищник. Прозрачность помогает ему оставаться невидимым и незаметно подкрадываться к своим жертвам. Но основная его уникальность не в прозрачности, а в механизме регулировки плавучести, которая обеспечивается двумя веснушчатыми пузырьками на грудке. Из-за хитинового корпуса мотыли коретры не могут изменять объемы своих пузырей, как делают большинство водных животных. У личинок пузырь выстлан изнутри пигментными клетками, а поскольку коретра прозрачная, солнечные лучи проходят сквозь нее беспрепятственно. И если ей нужно всплыть, она закрывает поверхность пузыря, растягивая эти пигментные клетки. Пузырь чернеет, а, согласно законам физики, черные поверхности нагреваются гораздо лучше. И соответственно, при нагреве от солнечных лучей пузырь расширяется, увеличивая плавучесть, и коретра всплывает. 

Ничего не напоминает? 5-го июня 1783 года во французском городе Анноне братья Монгольфье впервые запустили в небо шар, наполненный горячим воздухом. С тех пор воздухоплавание на аэростатах стало довольно привычным занятием. Но все воздушные шары требуют наличия на борту горелки, нагревающей воздух. А личинка коретры уже миллионы лет обходится без дополнительных источников тепла, используя солнечный свет.  

Выстрел нимфы

Водный мир полон опасностей, и его обитателям часто приходится потрудиться, чтобы выжить. Личинка стрекозы, на же нимфа, — лютый хищник, в жизни которого лишь две задачи — не быть съеденной, и постоянно есть самой, чтобы в будущем превратиться в стрекозу. Ее скорость и маневренность позволяет атаковать всех обитателей воздушного океана сравнимых с ней размеров. Но вода в тысячу раз плотнее воздуха, и личинке стрекозы пришлось изобретать невероятные устройства, чтобы выжить. 

— Все личинки стрекоз — хищники-засадники. У них сформировалась уникальная хватательная нижняя губа, которая стремительно выкидывается вперед, и жертва даже не успевает заметить, что ее схватили, — биолог Павел Лисицын.

Долгие десятилетия ученых не могли разгадать секрет этого механизма, ведь мощных мышц у этого животного нет. Только в 2021-м году немецкие исследователи сконструировали роботизированный аналог маски стрекозы и обнаружили удивительные вещи. Оказалось, что нимфа затрачивает на свой «выстрел» в 10-15 раз меньше сил, чем выходит по расчетам. Секрет кроется в особом белке — резилине, который имеет не только сходство в названии с резиной, но в свойствах. В сложенном состоянии маска нимфы подобна взведенному капкану, представляя собой натянутую пружину, а в нужный — нимфа нажимает на спусковой крючок, и натянутая белковая тетива выстреливает с огромной скоростью, расправляя маску. А за ее точное наведение отвечают огромные глаза. 

Еще одно универсальное средство нимфа использует для эвакуации, чтобы самой не стать обедом. Реактивный ход под водой обеспечивают ей мышцы задней кишки, куда она набирает воду, а затем резко выбрасывает ее. По сути, изобретя принцип подводной ракеты «Шквал», аналогов которой нет в мире.   

Космический лопух

А знаете ли вы, что изобретением одного из важнейших элементов моды, а главное космического снаряжения, человечество обязано обычному лопуху? 

Даже самые современные скафандры значительно сковывают движения, особенно неудобны большие перчатки. Шнурки или петлевые застежки в них использовать, конечно, очень неудобно. Но у нас теперь есть липучки, которые можно зафиксировать одним движением руки. А придумали эти фиксаторы в середине ХХ века благодаря собаке, нахватавшей колючек репейника.

В природе перенос семян растений с помощью животных — явление распространенное, и называется зоохория. 

— Этот процесс был подсмотрен пытливым умом Жоржа де Мистраля в 1948 году. После прогулки со своим спаниелем французскому инженеру пришлось долго очищать шерсть питомца от назойливого репейника. Тогда ученый задумался о принципе столь мощной «цепучести» и решил рассмотреть зацепки репейника под увеличением. И увидел, что листочки обертки в корзинке плодов лопуха заворачиваются, что делает их очень цепкими. Так Мистраль и придумал материал, который мог бы фиксироваться также, как колючки лопуха, — ботаник Александра Мазаева.

На разработку новой застежки у Мистраля ушло целых семь лет. В итоге он получил всем нам известную систему, где пластиковые аналоги крючков репейника плотно вцепляются в вискозную имитацию шерсти. Застежка получила название «велкро» от французских слов «велюр» — бархат, и «кроше» — крючок. У нас ее  чаще называют просто «липучкой». 

Это изобретение считается одним из лучших примеров бионики — науки о заимствовании у природы технических принципов и устройств. Применений велкро не перечесть. Эта застежка используется и военными, и водолазами, и космонавтами. Детская обувь и одежда тоже не обходятся без удобного репейного фиксатора. В общем, изделие получилось незаменимое. 

Разгадка прыжка клеща

Но есть одна загадка природы, которая долго не находила своего решения — как клещ запрыгивает на свою жертву, не имея сильных прыгательных ног?  

В просвещенном XVIII веке при исследовании электричества соратник Ломоносова профессор Рихман трагически погиб от удара молнии. А обыкновенный клещ, хоть и не имеет ученой степени, использует электричество в своих опасных целях уже миллионы лет. И для этого ему не нужны провода, изолента и плоскогубцы. 

На рубеже XIX и XX веков изучению электричества посвятил всю свою жизнь и Никола Тесла. Его главной мечтой было укрощение статического электричества, и передача электроэнергии по воздуху без проводов. Мог ли он подумать, что впившийся в его ногу наглый клещ уже давно оседлал невидимые молнии, и использует их в своих коварных целях? 

Разгадка тайны прыгучести клеща была найдена только в 2023-м году. Оказалось, что эти существа используют статическое электричество, генерируемое добычей. Проходящий мимо клеща теплокровный большой организм создает вокруг себя электростатическое поле, оно то и притягивает клеща. В экспериментах он снизу вверх против гравитации притягивался на 10 сантиметров, а в горизонтальном направлении — еще дальше.

Отсюда важный вывод — выезжая на природу в сезон клещей, синтетическую одежду надевать нельзя! 

За прошедшие миллиарды лет существования жизни на Земле эволюция породила множество гениальных изобретателей. Естественный отбор строго и безжалостно проверяет каждую новую технологию самыми беспощадными и тяжелыми испытаниями. И результатом провального эксперимента зачастую является смерть изобретателя. Поэтому древние технологии крохотных новаторов отточены до совершенства и ставят порой в тупик ученых XXI века. Но, человечеству однозначно есть чему поучиться у миниатюрных изобретателей. 

В статье использованы материалы цикла «Из мухи слона» телеканала «Наука»