Гидродинамическая эволюция

После долгого петляния, маленьких и больших хитростей след позвоночных в эволюции вдруг на некоторое время как будто выпрямляется. Хорда прекрасно скрепляла даже длинное тело. А удлиненное тело выгодно для передвижения в плотной среде: при том же лобовом сопротивлении гораздо больше полезного объема. В эволюции наших предков начался гидродинамический отбор.

Видный советский палеонтолог В. Яковлев шаг за шагом прослеживает эволюцию первых рыбообразных животных и их потомков - настоящих рыб и открывает поразительное сходство, аналогию, параллелизм между этой эволюцией и развитием... авиации в XX веке.

Первые безголовые ланцетникоподобные хордовые были тяжелее воды. Современный ланцетник отрывается от дна только ценой огромного усилия, он как бы прыгает в воде, а вообще предпочитает зарываться в песок.

Но вот первые хордовые рыбообразные животные (их называют агнаты, бесчелюстные) в палеонтологической летописи. Они появляются в конце силурийского периода, четыреста миллионов лет назад. Ну и страшилища! А ведь это наши предки...

У этих существ, как у моллюсков или раков, скелет был еще внешним - внутри была только хрящеватая хорда. Ни плавников, ни зубов. Зато передняя часть первых позвоночных была почти целиком закована в панцирь, похожий сразу и на шлем средневекового рыцаря, и на капюшон куклуксклановца. Поколения ученых ломали головы над загадкой панциря: зачем он был нужен?

- Панцирь - это панцирь,- говорили и говорят по сей день большинство зарубежных и советских палеоихтиологов, - то есть защита, броня. От кого? Ну, это пока неясно. Может быть, от ракоскорпионов.

Да, были такие страшилища метровой длины, предки и нынешних раков, и нынешних скорпионов. Они, конечно, были хищниками и могли, наверное, питаться зазевавшимися предрыбами - агнатами. Но во-первых, сомнительно, чтобы ракоскорпионы могли охотиться активно: они были не слишком хорошими пловцами, а значит, и ловцами. Во-вторых, защита у предрыб, прямо скажем, какая-то странная: хвост-то голый, без шипов, колючек, панциря,- откусывай себе. Некоторые ученые предлагали другое и весьма оригинальное решение проблемы: не панцирь, а скафандр. Предрыбы перешли из пресных вод (по гипотезе академика Л. С. Берга, первые позвоночные, рыбы, - животные речного, озерного происхождения) в море, возможно, под влиянием какой-то большой, общепланетной засухи силурийского периода. Быстрая смена среды вызвала быструю приспособительную реакцию - образование скафандра, защищающего тело от вторжения солей. Лишь постепенно организмы выработали аппарат осморегуляции, поддерживающий солевой режим на заданном уровне, и нужда в панцирях отпала.

Нет, панцирь не был помехой, считает В. Яковлев. Он даже был необходим на пути эволюции позвоночных животных. В. Яковлев заявляет: панцирь был нужен, чтобы тяжелые первые позвоночные могли оторваться от дна. Взлететь, воспарить в толще гидросферы! Он играл роль несущей плоскости, крыла. Такое заявление сразу заставляет присмотреться к внешности панцирных рыб. Поразительно, как это раньше никому не приходило в голову! Уплощенный скафандр-панцирь сбоку в самом деле напоминает переднюю часть винтовых самолетов. Спереди видны нижние задние углы костяного чехла панцирных рыб. Они загнуты в стороны: и впрямь крылья! Короче, конечно, чем у самолетов, но ведь и плотность среды другая!

Есть в авиации такой термин - "удлинение крыла". Это отношение размаха крыльев к их площади. Чем это отношение больше, тем на меньшей скорости может взлететь самолет. У акулы - современного водного "истребителя-перехватчика" - это отношение равно 0,3, у панцирных рыб, похожих на неуклюжие самолеты первой мировой войны, - 1,2. Примерно так же в действительности отличаются друг от друга параметры соответствующих самолетов.

Почему самолеты и рыбы начинали одинаково? Прежде всего сходство - в малой мощности двигателя. Двигатели внутреннего сгорания делали первые шаги, и мышцы, сравнительно новое изобретение для силура, были еще очень слабы и неуклюжи. Значит, низкая скорость, низкие требования к обтекаемости форм (неуклюжесть очертаний) - и длинное крыло. Панцирной рыбе, оставшейся по своему строению донной рыбой (ее глаза смотрят больше вверх, чем вперед), не нужно большого "аэродрома" для "взлета" и для "посадки" - достаточно было крохотной площадки, но если уж она попадала в какую-то щель или в заросли водорослей или переворачивалась на спину... короче, представьте себе, что все это случается с самолетом (во время войны грозные заграждения для самолетов представляли собой частокол обычных аэростатов на тросах).

Это интересная гипотеза, но всю проблему в целом она решить не может: панцирные рыбы жили и в море, и в реках. Большинство исследователей сходится в том, что панцирь был для агнат не самым удачным приобретением. Тяжело! Панцирь давил, сажал рыбу на дно. А ведь нерыбообразные хордовые - предки агнат - жили и живут куда привольнее: они свободно плавают по воле волн и даже по собственному побуждению. Что же это, шаг назад, регресс в эволюции?

Параллели в развитии авиации и первоначальной эволюции наших предков - панцирных рыб

Довольно быстро профиль панцирных рыб приобретал законченный стандартный вид. Более выпуклая нижняя, брюшная, сторона, более плоская верхняя, спинная. Хвост вертикальный, с двумя лопастями, но лопасти неравные - нижняя больше (как бы акулий или самолетный "с обратным знаком"). Центр тяжести резко смещен вперед. Тело с такими данными, скажет специалист по авиации, - это образец идеально устойчивого летательного аппарата. Без всякого двигателя, просто сброшенное с самолета, тело такого профиля перейдет в планирование и само совершит плавную посадку. При малейшем толчке такое тело быстро набирает высоту: у него высокий "угол атаки". Угол атаки увеличивается благодаря строению хвоста. У современных акул и у самолетов более длинная верхняя лопасть хвоста, наоборот, гасит излишний "порыв вверх": на больших скоростях это создает угрозу переворачивания. Скорость подъема регулировалась только одним способом - увеличением или уменьшением горизонтальной скорости. Горизонтальных рулей не было. Рыба не могла "направиться вниз". Она могла только, плавно планируя, "совершить посадку" на дно.

Где-то в начале девона из подкласса агнат выделился род, "догадавшийся" использовать пару своих жаберных дуг для "хватания", "кусания", "жевания". Появились настоящие рыбы, а в их лице челюстноротые позвоночные, к которым имеем честь принадлежать и мы.

Но обретенная челюсть почти не повлияла сначала на облик рыб. Перейдя в другой подкласс, первые настоящие рыбы продолжали оставаться громоздкими панцирными тихоходами, сосуществуя со своими недавними предками, а теперь конкурентами и, возможно, жертвами.

Техническая же революция произошла в разгар девона: у панцирных рыб обоих подклассов параллельно и почти одновременно (поразительный пример параллелизма в природе!) появляются горизонтальные гидродинамические рули на брюхе. Тут уже внешний вид рыб резко изменился. Головной панцирь уменьшился в размерах. У многих он просто исчезает. Когда часть функций перешла к рулям, громоздкий панцирь становится обузой. Дальше идет цепная реакция: уменьшается панцирь - длиннее становится активная, двигательная часть тела - возрастает скорость (а следовательно, и подъемная сила) - панцирь нужен еще меньше. Поворачивается кверху хвостовой руль. С такими, самолетными, схемами до наших дней дожили рыбы "устаревших конструкций" - осетры, акулы. Стихия этих рыб - скорость. Аналогичные истребителю-перехватчику, они не могут свободно маневрировать в толще воды, например остановиться: акула, переставшая работать двигателем-хвостом, немедленно опускается на дно бассейна, как ее далекий панцирный тихоходный предок.

Для более свободного маневра в горизонтальной плоскости акулы вынуждены иной раз прибегать к удивительным эволюционным ухищрениям. Вспоминая далекое прошлое, акулы (не сами, конечно, это за них естественный отбор поработал) иной раз меняют очертания тела. Акула-молот. Как только не объясняли чудовищную форму ее головы: например, думали, что ее ноздри, разнесенные на большое расстояние "кувалдой" черепа, приобретают стереоскопическое обоняние - рыба будто "видит" направление запаха. Вероятно, так оно и есть, но это не может быть главной причиной существования целого семейства рыб-молотов (у других акул обоняние ничуть не хуже).

Разгадка приходит при взгляде не сверху или снизу (так - кувалда кувалдой), а сбоку. Крыло идеального профиля - вот что такое голова рыбы-молота. Такое крыло позволяет вести маневренную охоту на малых скоростях (не мешая развивать и большую скорость!). Для чего это понадобилось? Дело в том, что рыба-молот в течение эволюции довольно хорошо специализировалась в выборе жертв. Не брезгуя ничем, она предпочитает столь же древних хрящевых рыб, как и она сама,- скатов. Эти плоские блинообразные "летающие тарелки" моря довольно тихоходны, но удивительно маневренны по вертикали (аэро-, простите, гидродинамика такая!). Ни одна акула не может сравниться с рыбой-молотом в мастерстве охоты на скатов, и, конечно, это из-за необыкновенного ее крыла-головы.