Ирина Лагунина: При упоминании последних достижений биологической науки мы часто слышим новости о прочтенных геномах и других достижениях молекулярной биологии, хотя на самом деле даже в таких классических и, казалось бы, хорошо изученных областях как зоология позвоночных до сих пор остается много перспектив для развития. Так, например, только недавно с помощью новых подходов ученым стало понятно, как устроен ротовой аппарат пингвинов. Об этих и других открытиях рассказывает профессор биологического факультета МГУ Феликс Дзержинский.
С ним беседуют Александр Марков и Ольга Орлова.
Александр Марков: Многие палеонтологи, которые имеют дело с костями, они часто жалуются, что многие современные виды позвоночных, для них скелет не описан вообще, описано только внешнее строение, цвет перышек, форма клюва внешняя, а кости остались за рамками науки. Потрясающая статья вышла буквально год назад. Оказывается, науке до сих пор не было известно, как устроен женский половой аппарат у многих уток. Казалось бы, уток потрошат все хозяйки, однако серьезного изучения не было. И там обнаружилось много неожиданных, интересных вещей. Для того, чтобы глубже понять эволюцию и морфологию позвоночных животных, нужны новые подходы. Скажите, пожалуйста, какие методологические подходы вы используете в своих исследованиях?
Феликс Дзержинский: В нашем распоряжении есть очень интересный подход, который представляет собою некоторые видоизменения технического подхода, как бы мы отнеслись к машинам, если бы нас запустили в музей и попросили подытожить историю тех механизмов, которые мы там увидели. Этот подход касается частей опорно-двигательной системы позвоночных животных. Называем иногда упрощенно и обобщенно биомеханикой. Этот подход адресован частям скелетно-мускульной системы позвоночных у животных и выполняющих механические функции. Понятно, что механические функции были доступны для понимания и у них есть одна очень интересная черта, механические свойства, то есть функциональные свойства в данном случае очень четко отражают особенности геометрии, которая представляет собой первоначальный, первичный, самый главный объект изучения анатомов. Вот это первая черта, первая особенность, которая отражает эти свойства механические, функциональные свойства наших объектов. Вторая сторона, которую они отражают, состоит в том, что они адаптивны, то есть они отражают свойства экосистемы, в которой обитают и экожизни, в которой адоптированы, оказались победителями в эволюции, эти животные.
Ольга Орлова: Расскажите, пожалуйста, какие новые открытия наблюдения удалось с помощью этого подхода обнаружить у животных, которых знают наши слушатели?
Феликс Дзержинский: Одно из интересных открытий, которым в какой-то мере даже горжусь, это результаты исследований ротового аппарата пингвинов. Мы вообще изучаем ротовой аппарат птиц. Он устроен очень сложно, примерно как кисть человека, он осуществляет сложные движения, он очень разнообразен в то же время, и он позволяет изучать эволюцию птиц и строить генеалогию примерно так, как бы строили историю инженерной мысли. Оказалось, что пингвины способны прокачивать воду с помощью ротовой полости с большой интенсивностью. У них очень сильно расширена нижняя челюсть по высоте, у них очень глубока по вертикали ротовая полость, у них очень странно выглядит силуэт головы, потому что линия разреза рта направлена прямо в центр зрачка. Я имею в виду крилеядных пингвинов, это прежде всего пингвин Аделия и хохлатые пингвины. Они выдвигают свою нижнюю челюсть, посередине выгибается и таким образом они с большой производительностью, соответственная мускулатура очень хороша, с большой производительностью прокачивают воду сквозь ротовую полость. Всосав порцию воды, а вместе с ней они всосут криль, они прихватывают криль вершинками иголочек, которыми усажена ротовая полость и язык напоминает зубную щетку по своему виду, вода сходит, они выпускают, при следующем движении они новую порцию воды, снова рачка или нескольких, а предыдущего загоняют в глубину глотки, и он готов к проглатыванию. Интересно, что экспедиция английская, которая работает на юге Атлантики в области Фолклендских островов под руководством крупного такого специалиста Кроксон, его фамилия, не могла это наблюдать. И тут вещи, которые доступны с нашей позиции и недоступны при наблюдении, потому что днем этот криль погружается на глубину сорок метров, и Кроксону и его коллегам не удалось этого наблюдать. Более того, он даже прямо отрицал способность пингвина к массовому сбору корма, утверждал, что они схватывают эту добычу по одному. В то же время в статьях его же с его коллегами есть такие данные. Они на гнездовьях встречали пингвинов, выкачивали при помощи помпы содержание желудка, считали добычу, а в рюкзачке маленьком за спиной находился электронный чип, который засекал количество и глубину погружений, которые за время этого ухода с гнезда в море совершил пингвин. И это дало им возможность подсчитать, что за одно погружение, которое длится две минуты вот в таком интересном предельном случае эти пингвины собирают в среднем 150 рачков два сантиметра длиной и весом десятую долю грамма. В среднем 150 за две минуты с глубины сорок метров. Поверить, что это возможно только в условиях поштучного сбора, трудно. Таким образом получилось, что у нас есть возможность вмешаться в дискуссию, с наших позиций кабинетных анатомов вмешаться в дискуссию с полевыми исследователями.
Ольга Орлова: То есть английский профессор фактически не верил в то, что пингвин фильтрует воду и отбирает таким образом себе корм. А как же вам это удалось, не выезжая на Фолклендские острова, как вы говорите, кабинетным методом?
Феликс Дзержинский: На основании изучения аппарата, которым располагает пингвин, его вооружения, его инструмента.
Ольга Орлова: То есть вы рассматривали скелет?
Феликс Дзержинский: Скелет, мускулатуру, кожу, все его устройство. Это как маленькому мальчику, если вы дадите разобрать будильник, то подсчитывая количество зубцов на колесиках, он вам посчитает соотношение числа оборотов, которые делают при движении часов различные шестеренки. Количество зубчиков позволяют это сделать. Вот и тут в конструкции механизма однозначно указано в сущности, на что он способен.
Ольга Орлова: А когда родился такой подход, когда животных, их строение стали рассматривать как механизм?
Феликс Дзержинский: Через аппарат птиц впервые интересным образом описал Христиан-Людвиг Ницш в 1811 году. Но с тех пор таких работ сделано чуть больше пальцев на руках. То есть следующая работа была 1908, потом 1928, редко делались такие работы. Вообще такой подход, который пытался описывать эволюцию как многообразие животных в терминах создавшего это многообразие процесса приспособления, первым был наш соотечественник Владимир Ануфриевич Ковалевский, палеонтолог, описывавший лошадей, который чурался формалистического подхода и стремился к максимально конкретному изложению вопроса. Вот так и мы пытаемся реконструировать эволюцию в форме конкретного процесса адаптации.
Ольга Орлова: Феникс Янович, получается, с помощью ваших методов вы ведете классическую дискуссию между теоретиками и экспериментаторами. Может быть вы еще один какой-то пример приведете?
Феликс Дзержинский: Примитивное хордовое животное ланцетник, напоминающее маленькую рыбку, но не имеющее головы, ни мозга, ни черепа. Это не позвоночное животное – хордовое, предшественник позвоночных животных. У него вместо позвоночника в качестве скелета имеется хорда. Хорда фактически это такой вытянутый пузырь в виде шланга, сигарообразоного шланга, наполненного жидкостью, который извивается, как позвоночник рыбы под влиянием мускулатуры, расположенной справа и слева, позволяет ланцетнику ловко плавать, но этот осевой скелет не сжимаем благодаря тому, что он имеет полужидкое содержимое, а жидкость несжимаема. Хорда защищена от раздувания, это характерно для некоторых рыб, например, для осетровых тем, что она имеет хорошую оболочку с хорошими кольцевыми волокнами. Вот два исследователя экспериментировали с ланцетником. Ланцетник не имеет сердца, не имеет гемоглобина и поэтому его органы вырезаны, неприхотливы, чрезвычайно жизнеспособны. Кусочки хорды у ланцетника длиной в сантиметр, толщиной два миллиметра сохранили жизнеспособность двое суток. Чем же они любопытны? Что у них внутри существуют одноклеточные пластинки с поперечными горизонтальными мускульными волокнами. Ученые раздражали эти мускульные пластинки электрическим током, зафиксировали и даже измерили степень мускульного сокращения, и настала очередь объяснить, какой же может быть роль этих мускульных пластинок. И эти два автора предположили, что напряжение этих мускульных пластинок меняет режим плавания, меняя упругость хорды. Они сочли возможным, что поперечные мускульные волокна меняют упругость хорды к изгибанию. Если мы вспомним с вами, что может укрепить любой стержень против боговых изгибаний - только напряжение продольных элементов. Например, если мы попробуем сломать сухую колбасу, то на ее оболочке возникнут трещины, она разорвется. То есть это изгиб будет сопровождаться напряжением оболочки. Авторы учреждают, что перенапряжение мускульных пластинок никакого влияния не имеет. В это легко поверить, потому что у живого ланцетника на нее навешена хорошая сильная мускулатура. Но эти же авторы сообщают, что у личинки в раннем возрасте ланцетника эти мускульные пластинки, которыми наполнена его хорда, сжаты, нет жидких прослоек, как у взрослого ланцетника и таким образом вся хорда представляет собой мускул с поперечными волокнами. И вот эта хорда, состоящая сплошь из поперечных волокон, уже представляет интерес. Она может вполне выполнять функции такого осевого скелета, как если бы мы свой бицепс напряженный будем сжимать пальцами поперек волокон, то мы почувствуем упругость. Так и если эти волокна напрягутся, а они поперек продольной оси тела расположены, то от них можно ожидать продольной несжимаемости и в то же время легкой гибкости, когда эта забавная мышца вполне годится как прототип хорды в раннем возрасте ланцетника. А потом вступает второй фактор, когда эта мышца окружится оболочкой, то возникает фактор постоянства объема и тогда хорда получает продольную несжимаемость по причине постоянного. И таким образом можно рассматривать эти пластинки как остаток вот этого раннего состояния. Это пример того, что используемый нами подход в данном случае много что добавляет к результату, который получили экспериментаторы.
