Цветочные часы
Предисловие к книге Эрвина Бюннинга «Биологические часы» открывается следующими словами:
«Уже давно биология изучает пространственные аспекты приспособления растений и животных к окружающей среде. В гораздо меньшей степени изучены ею временные аспекты той же проблемы, хотя результаты многочисленных наблюдений показывают нам, сколь поразительными могут быть порой приспособления такого рода».
Односторонний интерес ученых к пространственным характеристикам присущ и нашему времени. Человек создал для себя искусственную окружающую среду, в которой практически нет больше места для естественных ритмов жизни. Несомненно, более всего от смены дня и ночи, от чередования времен года зависит сегодня крестьянин: попробуй не накормить свиней тогда, когда это им положено, или вовремя не убрать урожай, то есть не убрать его в самый подходящий момент — не раньше и не позже. Напротив, для промышленного рабочего нет большой разницы в том, в какое время суток или года он станет производить на конвейере пищевые консервы, телевизоры, медикаменты или, наконец, автомобили: днем или ночью, зимой или летом. Его больше занимают пространственные, а не временные аспекты приспособления. Подобный образ мышления стал причиной широко распространенного безразличия к природному временному циклу жизни. Иначе нельзя объяснить, почему, например, вечерние развлекательные передачи телевидение показывает в то время, когда для человека было бы естественнее пойти лечь спать, или почему при определении ритма работы на производстве не принимаются во внимание ритмы работоспособности каждого отдельно взятого индивидуума, выявленные специалистами по бихевиористике? В наши дни мы, к сожалению, далеки от мысли, чтобы в полной мере учитывать необходимость рационального использования индивидуальных возможностей и способностей каждого из нас. Впрочем, столь нерационально работает не только отдельно взятый человек. Не решены пока также проблемы наиболее оптимальной организации работы людей в коллективе. Между 930 и 1130 часами утра все узловые станции телефонной связи ФРГ оказываются настолько перегруженными, что можно почитать за счастье, если соединение с абонентом удастся с третьего раза. В другое же время суток станции расходуют не более чем одну четвертую своих мощностей. Между 1630 и 1830 часами пополудни интенсивность движения городского транспорта резко увеличивается, в связи с чем уровень концентрации выхлопных газов в атмосфере города достигает опасных значений. А ведь всего за полтора часа до или после этого феномена может возникнуть впечатление, что в сравнении с наблюдаемой плотностью движения транспорта дорожная сеть неоправданно велика. Перечислять подобные несуразности можно до бесконечности.
В условиях бурного развития техники человек создал искусственный суточный ритм своей деятельности, который плохо учитывает особенности окружающей среды. То, что мы еще в какой-то мере принимаем во внимание естественный 24-часовой ритм жизни, объясняется периодичностью физиологических функций человеческого организма. Нам может казаться, что мы уже практически независимы от колебаний температуры воздуха или от того, что сейчас за окном: день или ночь. Но подобное суждение обманчиво. О том свидетельствует появление профессиональных заболеваний у лиц, длительное время работающих в ночную смену или по скользящему графику.
Растения исключительно точно соблюдают все жизненные ритмы. Это позволяет им нормально развиваться, экономить энергию и строительные материалы. Так, светящиеся морские водоросли или светящиеся грибы, о которых пойдет речь в разделе «Свет в полном мраке», лишь ночью выделяют люминесцентное вещество, вызывающее столь удивительное холодное свечение. Днем они «отключают» свет. Это в высшей степени рационально, так как их слабое свечение в дневные часы не давало бы никакого эффекта.
Особенно любопытно «соглашение о режиме работы», какое существует между насекомыми и растениями. Последние распускают свои цветки и приготавливаются отдать пыльцу и нектар точно в то время, когда прилетают опыляющие их пчелы, осы или другие насекомые. Эти взаимосвязи еще в 1933 году были подробно описаны Э. Клебером. Некоторые результаты его наблюдений представлены здесь в графической форме (фото 81). В организме как растений, так и насекомых существуют биологические часы, функционирующие независимо от погодных факторов. Вне всякого сомнения, они идут синхронно. Это позволяет насекомым в поисках корма не совершать лишние вылеты. Такое поведение насекомых можно сравнить с поведением домашней хозяйки, которая хорошо знает часы работы ближайшего магазина и поэтому не торопится идти туда в неурочное время. Для растений же эта синхронность означает рациональное производство нектара и пыльцы: то и другое должны быть готовы к моменту прилета гостей.
Фото 81. Четверо часов, показывающих дневное время (с 6 утра до 17), дают наглядное представление о том, сколь синхронно работают растения и опыляющие их пчелы. Черный цвет во внутреннем круге показывает время, когда растение активно вырабатывает пыльцу, а во внешнем круге— время интенсивного посещения цветка пчелами. Заштрихованные области — это часы слабого производства пыльцы и редкого посещения цветков пчелами. Белые области соответствуют времени отсутствия и пыльцы и полетов насекомых, (a) Мак самосейка, (b) коровяк скипетровидный, (c) вербена лекарственная, (d) вьюнок трехцветный.
Внутренние, биологические, часы работают надежно даже в том случае, если на несколько дней искусственно устраняются внешние признаки суточного ритма, например восход и заход солнца или колебания температуры воздуха. Цветки раскрываются как по команде, точно в «условленное» время, а насекомые не менее точно соблюдают эту «договоренность». Но мы пока не знаем, каким образом растения и насекомые могут столь правильно определять время. Эту жизненно необходимую для них проблему они решили с помощью средств, о которых мы можем пока лишь с большей или меньшей достоверностью догадываться.
В XVIII веке жил выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней, который детально изучил ритм раскрытия бутонов у различных видов цветковых растений. Используя свои знания, он построил настоящие цветочные часы. Циферблат часов был разбит на ряд секторов, в каждом из которых высаживался строго определенный вид растений. Они подбирались по времени своего распускания. В течение дня ботанические часы безошибочно показывали время: каждый час раскрывало свои цветки какое-нибудь одно растение, другие же оставались в это время закрытыми.
Явлением никтинастии, которое я описал в разделе «Спасающиеся от жары в собственной тени» и которое помогает растению предупредить излишние потери тепла ночью, фактически управляют биологические часы, а не мгновенная смена темноты и света. Деревья и травы рассеивают свою пыльцу и семена в строго определенное время дня, именно тогда, когда, как показывает благоприобретенный опыт, следует ожидать наиболее интенсивных перемещений воздушных масс, создающих благоприятные условия для путешествий семян по воздуху. Многие грибы и водоросли отправляют в путь свои мужские и женские половые клетки лишь в те часы суток, когда те и другие будут взаимно готовы к встрече, обеспечивающей продолжение рода. Механизм фотосинтеза, с помощью которого растение на свету синтезирует виноградный сахар, ночью не работает: растение «отключает» его подобно тому как мы, экономя энергию, выключаем по окончании передач радиоприемник или телевизор.
Полуночные свидания бурых водорослей
В июне 1964 года английский журнал «Природа» поместил статью Хокинза с сенсационным заголовком «Стонхендж — счетная машина времен неолита». Стонхендж — памятник деятельности человека каменного века, обитавшего 3500—4000 лет назад на территории современного графства Солсбери, в 130 километрах юго-западнее Лондона. Он представляет собой крупное сооружение, строительный материал для которого — каменные глыбы высотой почти 8 метров и весом 50 тонн — доставлялся из каменоломни с расстояния 230 километров. Ученые назвали Стонхендж «крупнейшей загадкой Старого Света». Однако в наши дни астрономам и археологам удалось раскрыть ее. Доисторические ритуальные постройки связаны, вероятно, с культом Солнца и Луны. Они строились с таким расчетом, чтобы с помощью вертикально стоящих камней можно было определять важнейшие точки положения обоих светил на небосводе. Размещение камней выбрано не случайно, ибо все сооружение в целом есть не что иное как доисторическая пеленгационная установка. Стонхендж — это исключительно точный лунный и солнечный календарь, позволявший предсказывать не только время летнего и зимнего солнцестояния, но и определять на длительный период часы восхода и захода Луны. Кроме того, этот каменный календарь давал возможность исчислить промежуток времени между двумя полнолуниями, проследить 18,6-летний лунный цикл, предугадать с точностью до одного дня наступление солнечных и лунных затмений.
Древние лунные календари можно встретить и в других местах планеты. В частности, на северо-западе Франции, в Бретани, можно увидеть большие скопления камней, расположенных в строго определенном порядке. Они привлекают внимание не только любопытствующих туристов, но и ученых (фото 82). Подобные археологические памятники имеются в ряде европейских стран.
Фото 82. Гигантские каменные календари, подобные изображенному на этой фотографии (местечко Лагатьяр в Бретани), наши предки возвели во многих местах побережья стран Западной и Северной Европы.
Нередко ученые высказывают мысль, что ориентированное размещение каменных глыб лишь случайно совпадает с положением основных точек небесной сферы. Они не верят в существование у создателей древних календарей астрономических знаний, без которых нельзя было бы выполнить такую точную работу. Однако вероятностные расчеты показали, что человек каменного века был в состоянии разумно сооружать подобные постройки. Рольф Мюллер, астроном, занимающийся изучением древних памятников культуры, пишет по этому поводу:
«Но мы вправе задать вопрос: а является ли вообще знанием то, что открывается нам здесь. Да, несомненно. Знание — это то, что было присуще как нечто само собой разумеющееся наблюдателю, жившему в тесном единении с природой. Это, в частности, наблюдения за небосводом, которые учили человека каменного века определять движение звезд на небе и фиксировать их взаимное расположение. Он использовал эти знания, чтобы измерять время и создавать календари, столь необходимые в жизни оседлых земледельцев».
На наш взгляд, в этих словах кроется не только разгадка тайн каменных календарей, но и ключ к решению общего вопроса об измерении времени. Последнее крайне необходимо для разумной организации любой деятельности, для того, чтобы задолго до наступления события можно было бы подготовиться к нему. Так, цветки растений раскрываются не одновременно с восходом Солнца, а несколько раньше, ибо их биологические часы заблаговременно определили, что наступает день. Мы, люди XX века, полностью разучились измерять время в его изначальном смысле. Когда мы записываем в свои памятные книжки какие-либо конкретные даты и сроки, соблюдение которых контролируется нами по календарям и часам, то почти всегда выбор этих чисел никак не зависит от сущности ожидаемых событий. Если, к примеру, страховой агент договорился встретиться с клиентом на предмет подписания страхового полиса на 1030 утра 27 апреля, то это вовсе не означает, что встречу следовало назначить именно на этот день и час, а не на, допустим, 14 сентября в 1545. Для самой сделки это безразлично. Но если древним земледельцам-египтянам предстояло обработать свои участки земли, им нельзя было произвольно выбирать время для этого. Они жили в долине Нила. Ежегодные разливы реки обильно удобряли глинистую почву их полей. Поэтому крестьянам важно было заранее подготовиться к следующим за половодьем посеву или высадке рассады. И поэтому они должны были измерять время не независимо от содержания ожидаемого события, а в прямой связи с ним. И доисторический человек изобрел методы исчисления времени, поскольку это было для него вопросом жизни и смерти. Сейчас же мы нередко упускаем из виду то обстоятельство, что измерение времени отнюдь не самоцель, а необходимое условие приспособления к порядку, господствующему в окружающей среде. Для специалистов по космическим исследованиям, вынужденных посылать космические корабли точно в установленный срок, ибо даже малейшие отклонения означают неуспех экспедиции, точное измерение времени также представляется делом само собой разумеющимся. Очевидно, что биологи, которые до последнего времени мало занимались проблемами приспособления человека, животных и растений к естественному временному распорядку в мире и больше уделяли внимания пространственным аспектам приспособления, утратили понимание всего значения этого процесса.
То, что растения, подобно доисторическим астрономам, умеют точно измерять время, стало известно не так уж давно. Столь же мало мы до сих пор знаем о том, что их биологические календари способны учитывать движение Солнца и Луны по небосводу и что сами они систематически реагируют на продолжительность светлого времени суток.
Мне хотелось бы в связи с этим еще раз вернуться к примерам, в которых речь шла о страховом агенте и египетском крестьянине. Первый ограничивается относительным измерением времени. Если у него и его клиента есть часы, идущие синхронно, то он может назначить встречу, допустим, через 24 дня и 7 с половиной часов. В этом случае совершенно безразлично, с каким днем недели соотносится момент встречи. Это может быть и понедельник, и вторник, и среда и т. д. Для древнего земледельца и современного космонавта относительного измерения времени уже недостаточно. Им нужно измерить время абсолютно. Здесь важно не только то, чтобы их часы шли синхронно. Важно, чтобы их показания соотносились с какой-то единой отправной точкой, существующей в окружающем их мире. С подобной необходимостью приходится сталкиваться и растениям. Их биологические часы должны не только относительно измерять время, но и абсолютно верно «показывать», в какой именно момент взойдет солнце.
С какой удивительной точностью растения в состоянии определять время и насколько разумно в этой связи они ведут себя, демонстрирует одна из бурых водорослей (Dictyota dichotoma), обитающая в прибрежных мелководьях морей. В полном соответствии с 24-часовым циклом, заданным растению от рождения, эти водоросли в строго определенное время суток выбрасывают в воду мужские и женские половые клетки. Как предписывает им солнечный календарь, они расстаются с ними не в любой выбранный ими по своему желанию день, а всегда в определенный день в конце лета. Однако этим процессом управляет также и лунный календарь: половым клеткам дозволено лишь дважды в течение лунного цикла выходить на «свободу», то есть каждые 14—15 дней. Разумеется, все три перечисленных условия совпадают между собой чрезвычайно редко, в силу чего водоросли этого вида могут рассеивать свои половые клетки в течение всего лишь нескольких часов в году. Возможность встречи женской и мужской клетки и оплодотворения в этот точно зафиксированный природой короткий промежуток времени в 1000 раз больше, чем если бы их высев происходил не столь гармонично и был бы растянут во времени. Иными словами, женские и мужские половые клетки бурой водоросли имеют четко означенные астрономические часы выхода во внешнюю среду, и они их исключительно пунктуально соблюдают.
Процесс же оплодотворения произойдет только в период отлива и притом не в любой, а в так называемый квадратурный отлив, когда уровень воды оказывается самым низким и когда условия для размножения наиболее благоприятны. Очевидно, бурые водоросли пользуются лунным календарем , поскольку, как известно, движение Луны по орбите вокруг Земли воздействует на периодичность наступления приливов и отливов. Лабораторные эксперименты свидетельствуют о том, что растению вовсе не нужно визуально наблюдать то или другое светило, ожидая того момента, когда свет, идущий от Луны или Солнца, сообщит растениям о наиболее выигрышном для них расположении небесных тел. Они обладают внутренними биологическими часами и календарем, с помощью которых они точно определяют время даже тогда, когда небо покрыто тучами.
Точное соответствие биоритмов растений суточным колебаниям света и темноты свидетельствует об их способности определять продолжительность дня. Тот, кто пожелает измерить, например, долготу дня и ночи в течение суток и на этой основе сделать заключение о времени года, должен, с одной стороны, иметь часы, точно идущие по 24-часовому циклу, а с другой — обладать способностью сопоставлять внешние приметы времени (например, продолжительность дневного освещения) с ходом биологических часов. Растения научились делать это с большой точностью. Убедительный пример тому дает нам один из сортов яванского риса. Остров Ява расположен в зоне экватора, поэтому разница в долготе дня на протяжении всего года составляет здесь не более 48 минут. Незначительных долей этого отрезка времени яванскому рису вполне достаточно для опознания времени года. И в самом деле, экспериментальным путем было доказано, что разница в продолжительности дневного освещения всего в одну минуту убыстряет или тормозит развитие растения более чем на один день. Умение выявить это минутное расхождение — изумительное достижение измерительной техники растений. Ошибка составляет здесь всего 0,07 процента. Ошибку менее чем 0,05 процента допускают бурые водоросли, когда выявляют те несколько часов в году, которые наиболее благоприятны для размножения.
Биологический календарь у растений не редкость. Многие семена сохраняют всхожесть на протяжении нескольких лет или даже десятилетий, но дают ростки, тем не менее, в строго определенное время года. Всхожесть семени погремка (Rhinanthus alectorolophus) начинает проявляться через пять месяцев после созревания в самом начале зимы. В течение нескольких последующих месяцев способность к прорастанию сохраняется. В апреле следующего года она временно исчезает и точно через 5 месяцев вновь возобновляется. Это пример прекрасного приспособления растения к временным ритмам окружающей среды. Всхожесть восстанавливается только тогда, когда для прорастания семени складываются благоприятные климатические условия. Но не эти условия сами по себе управляют всхожестью, а внутренний календарь, который действует независимо от того, при какой температуре или при каких-либо других условиях произошел высев семян в почву. Будь это по-иному, семена могли бы неправильно прореагировать на те или иные аномалии погоды и прорасти, например, летним влажным месяцем. В таком случае основной период развития растения пришелся бы на зиму. Внутренний календарь растения эффективно препятствует этому. Нередко передаваемые по наследству календари продолжают функционировать даже годы спустя.
Но каким образом растения измеряют время? Пока мы этого не знаем. Но чтобы выжить, это было крайне необходимо, и поэтому растения, подобно людям каменного века, научились это делать.