Сигнальные флажки, светофоры, запахи и тепло

Растения добились многого в области статики сооружений, они успешно передвигаются по суше, по воде и по воздуху, являются мастерами своего дела в гидравлике и прикладной термодинамике, научились использовать энергию света, прекрасно чувствуют время и могут проводить точные химические анализы. И во всех перечисленных областях они достигли истинного совершенства. Если перелистать справочник инженера или ознакомиться с перечнем факультетов в техническом вузе, то можно обнаружить, что все рассказанное в этой книге о необыкновенных возможностях растений имеет свои параллели в различных областях науки и техники. Но до сих пор ничего еще не говорилось ни об измерительной технике, ни о технике передачи информации. Задача этих двух направлений знаний — помочь человеку ориентироваться в окружающем мире, научиться распознавать события, уметь излагать свои мысли так, чтобы они стали понятны другим. Это круг тех проблем, с которыми очень часто приходится сталкиваться и растениям. Каким же образом они решают их?

Под информационной техникой в узком смысле слова понимают передачу информации, а в широком — также ее получение, обработку и накопление. Но где же растениям приходится решать подобные задачи? Разумеется, там, где они вынуждены сотрудничать с другими живыми существами. Сказанное относится в первую очередь и опылению растений с помощью насекомых или других животных. Для того чтобы насекомые могли с наибольшей пользой для обеих сторон (для себя — получить как можно больше сладкого нектара, для растений — эффективно опылить их) перелетать от цветка к цветку, процесс опыления должен быть организован очень рационально. Это становится возможным только посредством применения тех или иных методов передачи информации. Растения, например, должны выставить сигналы, которые делали бы их цветки особенно заметными. Такой прием позволит намного уменьшить число разведывательных полетов. Особую маркировку надлежит иметь тем цветкам, которые не достигли еще зрелости, то есть не могут быть опылены и не в состоянии предложить насекомому сладкую взятку за его труд. Важно также каким-то образом отметить цветки, которые уже опылены и не содержат более нектара, ибо им уже успел полакомиться кто-то ранее. Это избавит насекомое от напрасной работы. От вида опылителя зависит выбор растениями соответствующего сигнала. Для пчел и жуков должны существовать одни сигналы, для мух — другие, а для колибри или летучих мышей — третьи. Цветок, опыляемый только птицами, не должен привлекать насекомых. На открытой территории предпочтение следует отдавать оптическим средствам сигнализации. Напротив, для плохо просматриваемой местности надо найти другие методы связи.

Каталог существующих у растений приемов передачи информации можно сравнить с программой работы технолога, занятого в промышленности. Объем стоящих перед растениями в этой области задач чрезвычайно велик. В связи с этим палитра найденных ими решений настолько богата, что до сих пор человеку удалось тщательно изучить лишь незначительную часть их. На эту тему написана не одна толстая книга. Как и в других случаях, нам остается лишь одно: ограничить наш рассказ несколькими примерами.

В качестве одного из самых важных средств приманивания насекомых или других животных природа широко использует оптическую сигнализацию. «Если бы люди не догадались еще раньше сравнить эти знаки приманивания с вывешенными напоказ флагами, то даже самый бесстрастный наблюдатель сделал бы это, едва только увидел цветки Musaenda», — писал еще в конце прошлого века кто-то из ботаников об одном из лазящих растений Малайских островов. Небольшого пятилепесткового венчика цветка растению, по-видимому, недостаточно для привлечения опыляющих его бабочек. Обычный прицветник трансформировался у него в большой вертикально посаженный лист молочно-белого цвета с размерами 5 сантиметров на 10 сантиметров. Это яркое светлое пятно хорошо заметно издали. Его воздействие как сигнального флажка усиливается его окраской, создающей эффект «светофора». Белый или чуть-чуть желтоватый оттенок избран растением не случайно, поскольку на чистые и светлые тона реагируют прежде всего бабочки. В тех же случаях, когда растения нуждаются в помощи мух, преобладают телесно-грязные, пестрые темно-коричневые краски или неприятные для человека черно-красные тона. Нередко цветки насекомоопыляемых растений источают сильные гнилостные запахи, например запах гниющего мяса, разлагающегося белка или казеина. Цветовая гамма, пятнистый рисунок, неприятный запах, значительные, как правило, размеры этих цветков (растение-паразит раффлезия имеет, по-видимому, самые крупные в мире цветки — более одного метра в поперечнике!) довольно убедительно для своих посетителей имитируют разлагающуюся, кровоточащую тушу погибшего животного, суля мухам богатую поживу.

Итак, наряду с формой и цветом, выступающих в качестве сигнала приманивания и различающихся в зависимости от того, на кого они рассчитаны, мы в данном случае столкнулись и с запахами как средством передачи информации. Но поговорим еще немного об окраске. Особый интерес представляют цветы, окрашенные в ярко-красные тона. Вообще существует крайне мало насекомоопыляемых растений, цветки которых были бы однотонно алыми. Хорошо известно, что насекомые не могут различать красный цвет спектра. По способности распознавать цвета их можно сравнить с дальтониками, которые не воспринимают красный и зеленый оттенки. И в самом деле, пока не удалось обнаружить ни одного растения, цветки которого были бы окрашены в чистый красный цвет и опылялись бы насекомыми. И все же такая расцветка у растений встречается. Но опыляют их не пчелы, мухи, жуки или бабочки, а птицы, например крошечные колибри, обитающие на Южноамериканском континенте, или столь же миниатюрные медососы, живущие в тропических частях восточного полушария. Глаза этих птиц чрезвычайно чувствительны ко всему красному. Но особенно привлекает их пурпурно-красный цвет, который они в состоянии различать с большого расстояния.

Для тех летучих мышей, которые питаются сочными плодами и нектаром цветов и кормятся обычно в сумеречные часы, светлые тона оказываются особенно притягательными. Лепестки цветков одного из видов тропических лиан (Freycinetia), опыляемого только крыланами, или «летучими собаками» , имеют светлую розовато-красную окраску. Сочные, с кислым привкусом, они являются для этих весьма прожорливых животных обычным кормом.

Цветки, сигнализация которых рассчитана на приманивание птиц, обладают характерным только для них строением. Как правило, это трубчатые цветки. Нектар спрятан глубоко в цветке. Достать его могут лишь птицы с помощью своего тонкого и длинного клюва и языка. Иногда колибри идут на хитрость, чтобы облегчить себе труд: они проклевывают цветок с другой, нижней, стороны, стремясь добраться до сладкого блюда более коротким путем. Но такое поведение птиц отнюдь не в интересах растения. Ведь, отдав нектар, они должны получить свое: опыление. Один южноамериканский кустарник (Jochroma macrocalyx) успешно борется с подобными уловками колибри. Едва только пичужка пробуравит своим острым клювом чашечку цветка, как ее с «ног до головы» обдает струйкой воды. Это вынуждает колибри надолго запомнить полученный урок и отказаться от намерения похитить нектар с «черного хода».

Бесполезно подлетать к цветкам, которые еще не раскрылись. Это хорошо известно и насекомым и птицам, а потому они и не совершают такие ненужные полеты. Однако у некоторых растений цветки хотя и полностью раскрыты, но, поскольку они не созрели, не содержат в себе ни капли нектара: попытка опылять их была бы просто бессмысленной. Человеку пока еще не удалось разгадать, каким образом цветок сигнализирует насекомому: «У меня еще ничего нет, поэтому не трудись, не ищи напрасно нектара, а лети лучше сразу к другому цветку». Можно лишь предположить, что здесь существуют какие-то чрезвычайно мелкие оптические знаки, которые человеческий глаз не в состоянии различить, но которые дают насекомому или птице соответствующую информацию. А в результате насекомые бывают избавлены от излишних визитов и получают возможность за то же время посетить большее число цветков, что опять же оборачивается пользой для опыляемых растений. Сигналы подают и те цветки, которые уже опылены и у которых предшествующий посетитель забрал уже всю сладкую добычу. В большинстве случаев они быстро и резко меняют свою окраску или столь же быстро увядают. Вот почему те, кто содержит оранжереи с орхидеями, никоим образом не допускают насекомых в помещение: опылившись, орхидеи тотчас увянут.

В качестве приманивающего средства, помимо цвета, растения используют ароматические вещества, эффективность которых особенно высока в тех случаях, когда в густой растительности визуально трудно обнаружить цветок. Состав приспособительных признаков здесь столь же разнообразен, как и в системе оптической сигнализации. Мухи обладают исключительно топким обонянием, но применительно лишь к немногим пахучим веществам, имеющим непосредственное отношение к их образу жизни. Все остальное они просто не воспринимают. По этой причине цветы, опыляемые мухами, издают обычно резкий запах падали. В данном примере не следует недооценивать того, что создается химической лабораторией растения: они имитируют те пахучие соединения, которые в обычных условиях выделяются совершенно иными субстанциями. В свою очередь у пчел чувство обоняния сходно с нашим, поэтому неудивительно, что для нас весьма приятен запах цветов, с которых пчелы собирают нектар, одновременно опыляя их. Особенно хорошо развито обоняние у некоторых видов бабочек и жуков. Они реагируют на вещества, не воспринимаемые человеком даже в большой концентрации, и тогда, когда их концентрация составляет менее 0,0000005 миллиграмма в одном кубическом метре воздуха. Они в состоянии за несколько километров распознать запах одного-единственного цветка и безошибочно определить путь к нему: информация получена ими с минимальными затратами материалов и энергии. С какого же расстояния привлекает их в таком случае интенсивный запах цветущих живых изгородей или деревьев?

Тройная система эффективной сигнализации имеется у обыкновенного аронника — травянистого растения, обильно цветущего весной во влажных лесах речных пойм. В период цветения растение выпускает большое, напоминающее нос ладьи покрывало соцветия. С внешней стороны беловатое, иногда красноватое или зеленоватое, внутри оно фиолетово-коричневое. Если наклониться к цветку, то можно почувствовать навязчивый и неприятный запах гниения, ставящий в известность всех мух в округе о том, что здесь им есть чем поживиться. Более того, цветок аронника, как и многие виды его тропических сородичей, приманивает насекомых, излучая тепловые лучи, к которым мошкара и мелкие мухи в прохладные апрельские дни довольно чувствительны. Расходуя на интенсивное дыхание накопленный в организме крахмал, початочек действует подобно отопительному элементу, нагревая нижнюю сосудообразную часть обвертки соцветия до температуры 40°, что создает резкий контраст по сравнению с наружной температурой. Растение как бы предлагает насекомым теплое пристанище внутри соцветия, которое те охотно посещают, тем более что им там приготовили и хороший стол. Но попавшее туда насекомое прежде используется растением в своих корыстных интересах. Через кольцо тончайших волосков, которые могут сгибаться лишь в одну сторону, мелкие мушки проникают в цветок и становятся на время пленниками растения. Насекомое должно вначале опылить женские цветки, расположенные в самом низу «сосуда», той пыльцой, которую оно принесло с собой, затем над ним раскрываются мужские цветки, которые осыплют его свежей пыльцой, и только тогда волоски на входе свернутся в пружину, освобождая насекомому путь наружу. Как видим, помимо тройной системы сигнализации, аронник реализует еще один элемент техники связи: обработку поступающей информации. Функционирование механизма опыления у аронника напоминает нам управление производственным процессом в промышленности с помощью ЭВМ.

 

Совершенные компьютеры

Самый последний и самый одаренный ребенок информационной техники — электронная вычислительная машина. В течение нескольких минут ЭВМ сделает те расчеты, на проведение которых математику потребовалось бы почти полгода. Она позволяет на небольшом пространстве хранить громадное количество данных и в любое время готова предоставить их в наше распоряжение. Систематизация данных научных исследований, ведение банковских счетов, автоматизированная продажа авиабилетов, обработка статистической информации, прогноз результатов предстоящих выборов, точнейшие математические расчеты — вот краткий перечень практически безграничных возможностей электронной вычислительной техники.

Принцип действия ЭВМ удивительно прост. Она может лишь сказать «Да» или «Нет», «Больше» или «Меньше», «Равно» или «Не равно» и считать от 0 до 1. Все более крупные числа необходимо разложить и представить в форме определенного сочетания нулей и единиц. На языке ЭВМ число 3 записывается как 00011, число 13 как 01101, а число 23 как 10111. Для запоминания каждого из этих чисел ЭВМ нужно 5 ячеек памяти. Если взять число 23, то в первой ячейке будет храниться цифра 1, во второй — цифра 0, в третьей и четвертой — опять 1 и в последней — вновь 1. Поскольку ЭВМ накапливает в своей памяти громадное количество цифровой информации, ячейки памяти по своим размерам должны быть небольшими. На практике они представляют собой миниатюрные, обладающие магнитными свойствами ферритовые сердечники, помещаемые внутри рамки из проволочного материала (фото 78). Каждый из этих сердечников — накопителей информации имеет диаметр чуть больше одного миллиметра и может запоминать 1 бит информации.

В одном магнитном оперативном запоминающем устройстве (МОЗУ), который представляет собой конструктивный элемент ЭВМ, может насчитываться большое число ферритовых матриц (проволочная решетка, в узлах которой помещается от 50 тысяч до 100 тысяч ферритовых сердечников). Следовательно, МОЗУ в состоянии запомнить от 50 тысяч до 100 тысяч битов информации.

В последние годы электронная вычислительная техника добилась больших успехов. Размеры ЭВМ уменьшаются. Одновременно они становятся все более быстродействующими. В современных ЭВМ применение находят мельчайшие ферритовые сердечники. Отверстие в них настолько мало, что сквозь него с трудом проходит человеческий волос. Внешний диаметр сердечников составляет всего одну пятую миллиметра. В углублении самой обыкновенной мятной таблетки, увеличенное изображение которой дано на фото 79, находится более 4 тысяч таких сердечников, которые способны запомнить более 4 тысяч битов информации. Но промышленности этого мало. Были созданы микроскопические ячейки памяти. В центре фото 78 можно видеть небольшую ферритовую плату квадратного сечения. Размеры стороны квадрата 2,5 миллиметра. На этой плохо различаемой простым глазом поверхности укреплены мельчайшие проводники и кремниевые блочные элементы, всего 664 коммутирующих элемента. Поистине ювелирная работа! Каждый комплекс в состоянии нести 64 бита информации. На той же фотографии изображены 24 ферритовых сердечника, каждый диаметром 1,2 миллиметра, использовавшихся в прежних ЭВМ. Один такой сердечник способен запоминать 1 бит информации.

Фото 78. Часть ферритовой матрицы запоминающего устройства с плоской выборкой информации (сильно увеличено). В действительности размер ферритового сердечника равен всего 1,2 миллиметра. В центре фотографии для сравнения помещен элемент памяти современной ЭВМ.

Фото 79. Снимок позволяет сопоставить размеры мятной таблетки и ферритовых сердечников. В этой небольшой кучке их насчитывается более 4 тысяч штук. Микроскопические размеры сердечников позволяют создать в запоминающем устройстве ЭВМ большое число ячеек памяти.

Появление нового поколения ЭВМ связано с широким внедрением микроэлектроники, бурному развитию которой способствовал прогресс в области космических исследований. Размеры неудобных и громоздких прежде установок в последние годы существенно уменьшились. И все же современная электронно-вычислительная машина, состоящая не только из оперативного запоминающего устройства, но также систем ввода и вывода, дополнительных блоков памяти и другой аппаратуры, занимает довольно большое пространство (фото 80). Однако количество ячеек памяти в ней огромно. В зависимости от конструкции центральное устройство может регистрировать от 50 тысяч до 2 миллионов битов. Для техники это исключительно высокий показатель. Представляется невероятным, что на столь небольшом пространстве возможно было бы разместить еще более значительный объем информации.

Фото 80. Так выглядит помещение, в котором установлена современная ЭВМ. На переднем крае справа — основное оперативное запоминающее устройство. В зависимости от конструкции в нем может быть размещено от 50 тысяч до 2 миллионов ячеек памяти.

Имея в виду все сказанное, можно предположить, что в области создания накопителей информации человек обошел природу. Для подтверждения (а быть может, опровержения?) подобного допущения попытаемся найти аналогичные устройства в растительном мире. Сделать это будет нетрудно, поскольку мы сталкиваемся с ними каждый день, правда, не на лоне природы, поскольку в большинстве своем мы городские жители. Но тем не менее из повседневной жизни мы знакомы и с зерном, из которого изготовляют наш хлеб, и горчичным семенем, делающим столь пикантными паши колбасы, и, наконец, с маком, которым обсыпаются наши любимые булки. Иными словами, речь идет о семенах растений. В каждом из семян содержится подробнейшая информация о внешней форме растения, которому следует появиться из него. В нем хранятся подробные данные о величине, окраске и форме листьев и цветков, а также информация о том, как следует реагировать растению на холод или тепло, кислую или известковую почву, нехватку или избыток влаги, свет или его отсутствие.

Давайте немного посчитаем вместе и попытаемся определить, какое количество битов информации потребуется для того, чтобы запрограммировать с помощью технической ЭВМ только одну окраску цветка любого растения. Сделать это точно практически невозможно. Тем не менее даже приближенный анализ покажет, в чем, собственно, заключается проблема. Нам хорошо известно, что все оттенки цвета получаются за счет комбинирования трех основных цветов: синего, зеленого и красного. Плотность того или иного оттенка определяется содержанием каждого из трех компонентов в их общей смеси. Чтобы упростить наши расчеты, допустим, что содержание каждого из основных цветов будет изменяться на 1 процент. В реальной действительности этого нет, ибо комбинации могут быть самыми различными. Наше допущение означает, что в одной комбинации доля синего цвета будет равна 1 проценту, в другой — 2 процентам, в третьей — 3 процентам и так далее до тех пор, пока доля синего цвета не составит 100 процентов. Те же самые соотношения справедливы для двух остальных основных цветов. Даже при столь грубом упрощении в сумме получается около 5151 оттенка цвета. Для того чтобы заложить в память ЭВМ любую из этих цветных комбинаций, необходимо иметь 13 ячеек памяти. Кроме того, еще 10 ячеек потребуется для запоминания информации, из которой вытекает, что здесь речь идет именно о цвете, а не о чем-то другом. Нужна также информация о величине, форме, жесткости или каком-либо еще отличительном признаке из тысячи других. Как видим, только для «запоминания» машиной окраски цветка требуется 23 ячейки памяти. Далее, говоря о цвете, важно установить, а что, собственно, должно быть окрашено в растении: корни, стебель, листья, плоды или цветок. Исключительно сложно в данном случае ответить на вопрос о количестве битов информации, необходимых для хранения в «памяти» растения этих сведений. Будем руководствоваться тем, что у растения возможными объектами окрашивания являются 24 вида растительной ткани. Таким образом, нам нужны еще 5 запоминающих элементов. В целом же только для хранения информации о цвете уже необходимо иметь 28 таких элементов. Если мы выберем цветок с тройной окраской (например, у очень скромного по расцветке цветка маргаритки корзинка желтая, лепестки в целом белые, а их кончики розоватые), то число требуемых ячеек памяти увеличится до 84 (3х28). Столь же важна информация о том, как протекает изменение окраски, во-первых, на протяжении всей жизни цветка вообще, во-вторых, в зависимости от уровня освещенности, в-третьих, в зависимости от колебания температуры окружающей среды, в-четвертых, в зависимости от содержания минеральных веществ в почве и так далее и тому подобное. Предположим далее, что для наших расчетов будут иметь силу только эти 4 фактора и что в зависимости от эффективности их воздействия наша цветовая шкала, насчитывающая 5151 оттенок цвета, может изменяться не более чем на 500 дополнительных оттенков. Это потребует запрограммировать дополнительно 6 тысяч вариантов (3x4x500), на что понадобится 13 ячеек памяти. Что касается каждого из четырех факторов воздействия, то чрезвычайно важно знать, какой из многих тысяч химических и физических показателей здесь вообще имеется в виду. В этой связи на каждый цвет необходимо иметь 40 ячеек, а всего — 120. Становится очевидным, что для помещения в вычислительную машину всей необходимой информации о раскраске цветка требуется 217 ячеек памяти. И это только для части самой элементарной информации, касающейся будущего растения.

У кого не отпало желание продолжать вычисления и кто обладает навыками и знаниями в области электронной обработки информации, тот может аналогичным путем запрограммировать и другие отличительные признаки растения. Вне всякого сомнения, он впадет в отчаяние, решая данную задачу, поскольку сразу же возникнет вопрос об окраске корней, ствола, ветвей, листьев, самых разнообразных шипов, волосков, плодов, семян и т. п. Затем наступит очередь информации, описывающей размеры органов растения, структуры их поверхности, а также множества других характеристик. Одно лишь математическое описание внешней формы дерева, системы ветвления его корней и строения кроны, соотношения между диаметром ствола и толщиной ветвей, точной геометрической формы листьев, почек, цветков, плодов, структуры коры потребует нескольких миллионов бит информации. За описанием внешнего облика растения последует описание внутреннего строения: характера расположения основных тканей в растении, формы, размеров и строения клеток специализированных тканей и так далее. Наконец, нельзя обойтись без данных о химическом составе клеточного сока, о процессах роста и развития растения, об их поведении во всех возможных взаимосвязях с окружающей средой, о способе и времени размножения.

Для запоминания всей информации, касающейся растения, не хватит объема памяти крупной современной ЭВМ, к примеру такой, какая изображена на фото 80. Растение же хранит эту колоссальную массу сведений в крохотном семени: у некоторых видов бромелиевых (например, Pitcairnia maidifolia) на один грамм веса приходится не менее 25 тысяч семян.

Еще миниатюрнее в роли запоминающего устройства, изобретенного природой, споры грибов, но и они содержат всю исчерпывающую информацию о строении и поведении того гриба, который их породил. Для того чтобы, например, соблюсти масштабность оригиналов и получить снимок споры гриба в том же увеличении, в каком изображены ферритовые сердечники на фото 79, нужно использовать фотобумагу размером 3,6 метра на 4,8 метра. Это площадь жилой комнаты размером 17 квадратных метров. Нельзя забывать, что размеры оригинала не превышают пяти тысячных долей миллиметра. В сравнении с микроскопическими размерами запоминающего устройства растения память современных сверхминиатюрных ЭВМ выглядит подобно вулкану, сравниваемому со спичкой. Вы считаете, что это преувеличение? Отнюдь нет. Высота вулкана в 3000 метров превышает длину спички в 70 тысяч раз. Объем пространства, занимаемого некрупной, длиною 5 метров, ЭВМ, в миллионы раз больше объема, занимаемого спорой гриба. Ко всему прочему, спора не только и не просто запоминающее устройство, но и одновременно хранитель тех веществ, из которых в будущем разовьется растение.

Ошибается и тот, кто утверждает, что ЭВМ с ее гигантскими размерами не столь восприимчива к посторонним помехам, как «память» семени растения. Для безотказной работы запоминающего устройства ЭВМ необходимы чистый воздух, постоянные влажность и температура воздуха. А что же растения? Семенам некоторых растений и спорам большинства грибов не могут причинить вреда ни низкие температуры, ни температура почти кипящей воды. Они успешно переносят и абсолютное отсутствие влаги и «всемирный потоп». Не страшны им ни песок пустынь, ни чистый, лишенный даже пыли воздух. Иными словами, они готовы ко всему, что может предложить им окружающая среда.