Колючки кактусов, клыки змей и «дротики любви» улиток — как функция формирует эволюцию колющих инструментов природы

Большинство людей не задумываются о сложности природы, когда их жалит пчела или они укалываются о шип розы. Они думают лишь: «Ой, как больно!» Но даже на этом уровне очевидно: не все колющие орудия в природе одинаковы. Шип розы может пустить кровь, а пчелиное жало оставить зудящую сыпь. Процесс прокола — протыкание чего-то острым инструментом — невероятно широко распространён в природе. Примеры колющих орудий можно найти повсюду: у млекопитающих, змей, птиц, рыб, насекомых, улиток, медуз, растений, грибов, бактерий и даже вирусов. Их распространение порождает противоречие: если все эти орудия делают по сути одно и то же (протыкают), то почему они выглядят и иногда ведут себя так по-разному?

Именно это противоречие захватило моё любопытство как учёного, изучающего биомеханику — область, которая использует физику для понимания биологического разнообразия. Последние 10 лет мы с коллегами изучали физику прокола, пытаясь понять огромное разнообразие колющих инструментов в природе. В недавней работе мы исследовали 143 вида и обнаружили удивительно сложную связь между формой колющего инструмента и его функцией.

Колющие инструменты используются для разных целей, и эти задачи часто диктуют эволюцию инструмента. Например, гадюки используют клыки для впрыскивания яда в жертву. Это происходит во время удара: змее нужно проколоть, впрыснуть, а затем извлечь зуб и голову. Неудивительно, что клыки эволюционировали гладкими — чтобы их можно было легко извлечь из добычи после прокола и инъекции. Не все колющие инструменты хотят быть извлечёнными.

Цилиндропунция (Cholla) — кактус, который размножается через распространение клонов. Когда животные задевают кактус, часть кактуса прилипает к ним, отрывается от основного растения и путешествует. В конце концов, «безбилетник» падает и становится новым растением. Причина, по которой чолла так хорошо прилипает, — её шипы покрыты направленными назад зазубринами, которые гарантируют, что они застревают в коже переносчика. Даже в пределах, казалось бы, родственной группы животных могут быть огромные различия. В поведении, достойном фильма ужасов, наездники-паразитоиды откладывают яйца в других животных, где они вылупляются и поедают хозяина. Однако различные хозяева этих паразитов могут обитать в самых разных местах — в инжире, листьях или даже глубоко в гнилой древесине. В результате у разных наездников развилось огромное разнообразие форм и размеров жала. Например, осы, чьи хозяева прячутся глубоко в материалах (фруктах или гнилой древесине), имеют особенно длинные жала, которые могут направляться сквозь материал, чтобы найти укрывающегося хозяина.

Если эволюция подталкивает колющие инструменты к определённым формам для решения специфических задач, что происходит, когда инструменты растения и животного имеют по сути одинаковую функцию? В этих случаях эволюция может привести к поразительному сходству. Возьмём упомянутый выше кактус чолла. Его направленные назад зазубрины напоминают черепицу на крыше. Такой же узор зазубрин встречается на иглах дикобраза. Хотя эти инструменты сделаны из совершенно разных материалов, и один — растение, а другой — животное, они сошлись на схожей форме, потому что обоим нужно застревать в том, что они протыкают. Ещё один пример — загадка: когда улитка похожа на акулу? Когда она использует свой «дротик любви». Многие наземные улитки имеют мужские и женские половые органы. Во время спаривания при обмене спермой они многократно протыкают друг друга структурой, называемой дротиком любви. Эти дротики покрыты веществом, которое, как считается, делает партнёра более восприимчивым к сперме. Хотя учёные всё ещё выясняют детали, похоже, что некоторые из этих дротиков имеют плоскую треугольную форму, возможно, чтобы протыкать глубже и создавать более широкие отверстия для проникновения вещества. Эти дротики по форме очень похожи на зуб акулы — ещё один колющий инструмент, используемый для создания глубоких и широких ран при вгрызании в добычу.

Эти примеры — лишь верхушка айсберга в разнообразии форм колющих инструментов. Однако по всему этому огромному разнообразию достаточно понимания физики того, как эти инструменты используются, чтобы найти общие черты. В этом сила междисциплинарных областей, таких как биомеханика, которые позволяют учёным находить связи и закономерности между, казалось бы, разрозненными вещами. Так что в следующий раз, когда вас укусит комар или вы наступите на морского ежа, на мгновение поразитесь сложности колющих инструментов природы… сразу после того, как вы выругаетесь на того, кто вас уколол.

Итог: В природе нет ничего случайного. Даже самый, казалось бы, простой инструмент — колючка, шип или клык — несёт в себе историю миллионов лет эволюции, где функция диктовала форму. И когда в следующий раз вы наступите на морского ежа или уколетесь о кактус, помните: вас проткнул не просто «шип», а результат сложного биомеханического процесса, который мог быть сходным у совершенно разных организмов, потому что природа — великий инженер, и хорошее решение она использует снова и снова.