Арик Кершенбаум - Путеводитель зоолога по Галактике. Что земные животные могут рассказать об инопланетянах — и о нас самих

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 [50] Подробное описание этого эффекта приводится в книге Мэтта Уилкинсона «Беспокойные создания», глава 4. . 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.