В третьей лекции из цикла рождественских чтений Королевского института 1982 года знаменитый нейробиолог Колин Блэкмор ставит под сомнение классическое представление о наличии у человека лишь пяти чувств. Демонстрируя скрытые внутренние рецепторы нашего тела и уникальные сенсорные системы животных — от инфракрасного зрения змей до электрического чувства акул, — ученый раскрывает поразительное разнообразие способов восприятия окружающего мира. В завершение выпуска приглашенный гость наглядно показывает, как современные технологии позволяют человеку расширить свои биологические ограничения.
🫀 Внутренний мир тела: скрытые чувства человека 0:54
Лекция открывается цитатой из «Рождественской песни» Чарльза Диккенса, где Эбенезер Скрудж сталкивается с призраком своего покойного компаньона Марли. Скрудж отчаянно борется со своими собственными чувствами, отказываясь верить глазам, поскольку призрак кажется ему прозрачным. Колин Блэкмор задает аудитории вопрос: действительно ли наши органы чувств способны распознавать призраков или летающие тарелки, или же мы прочно заперты в рамках стандартных пяти чувств?
По мнению Блэкмора, традиционный вывод о наличии всего пяти чувств ошибочен. Люди хорошо осведомлены лишь о тех сенсорных системах, которые используются для изучения внешнего мира. Однако существует огромный интерьерный мир нашего собственного тела, управление которым требует не менее сложного и детального сенсорного контроля. Внутри человеческого организма скрыто множество органов чувств, о работе которых мы даже не догадываемся.
Для демонстрации внутренних чувств на сцену приглашается волонтер из зала по имени Тоби. На него закрепляют специальное медицинское оборудование, разработанное доктором Хайном Вулом из Центра клинических исследований. Прибор фиксирует два ключевых параметра:
- Частоту сердечных сокращений волонтера через закрепленные на груди электроды.
- Глубину и ритм его дыхания.
Данные передаются через инфракрасный передатчик на детектор и выводятся на перьевой регистратор. В состоянии покоя из-за легкого волнения перед камерами пульс Тоби составляет около 120 ударов в минуту. Когда волонтер начинает активно крутить педали велотренажера, его метаболизм перестраивается, меняется состав крови, а конечности совершают интенсивные движения.
В этот момент активизируются внутренние рецепторы, скрытые от сознания. В суставах ног расположены датчики, улавливающие механические движения и сигнализирующие мозгу о необходимости ускорить сердцебиение. Одновременно с этим химические детекторы в кровеносных сосудах фиксируют рост уровня углекислого газа и падение уровня кислорода. Эти микроскопические изменения состава крови через рефлексы головного мозга мгновенно перестраивают дыхание. К концу упражнения пульс Тоби достигает 170 ударов в минуту.
Колин Блэкмор утверждает, что все известные нам чувства зависят всего от четырех типов специализированных клеток:
- Светочувствительные клетки (внутри глаза);
- Химические детекторы (отвечающие за вкус, обоняние и уровень газов в крови);
- Температурные рецепторы (в коже и головном мозге);
- Механические детекторы (волосковые клетки в ухе и осязательные волокна в коже).
👁️ Границы видимого: ультрафиолет и подводное зрение 7:36
Человеческая гордость собственным зрением сталкивается с эволюционными ограничениями. Свет представляет собой лишь крошечную часть спектра электромагнитного излучения. Полный диапазон простирается от сверхкоротких высокоэнергетических гамма-лучей до сверхдлинных волн радиодиапазона. Человеческий глаз, как отмечает лектор, адаптирован к пику излучения нашего Солнца, достигающему поверхности Земли — от 300 до 1100 нанометров.
Однако другие живые существа смогли расширить этот диапазон под свои нужды. Вода, в отличие от воздуха, крайне плохо пропускает красный свет. Чем глубже мы опускаемся в океан, тем меньше красных лучей остается вокруг. По этой причине у рыб, обитающих на больших глубинах, глазные пигменты полностью теряют чувствительность к красному спектру и перенастраиваются исключительно на синий и частично ультрафиолетовый свет.
Глубоководные рыбы выработали альтернативные механизмы выживания в темноте:
- Биолюминесценция: использование специальных клеток (хроматофоров) для генерации слабого химического свечения.
- Маскировка: расположение светящихся клеток на брюхе, чтобы их силуэт сливался со слабым светом с поверхности воды при взгляде снизу.
- Приманка для добычи: использование светящегося выроста на голове, как это делает удильщик (angler fish).
На противоположном конце человеческого восприятия находится ультрафиолетовый спектр. Линза человеческого глаза имеет слегка желтоватый оттенок, отфильтровывая ультрафиолет. Напротив, многие насекомые, включая бабочек и пчел, обладают высокой чувствительностью к нему.
Растения эволюционировали вместе с насекомыми и выработали особые узоры, невидимые для человека. На кадрах специальной съемки Блэкмор демонстрирует цветок глазами пчелы. На лепестках проступают темные линии, сходящиеся к центру — так называемые «медовые гиды» (honey guides). Они состоят из материала, интенсивно поглощающего ультрафиолет, и служат для насекомых четкой взлетной полосой, указывающей дорогу к нектару и пыльце.
🐍 Инфракрасный спектр и «тепловые глаза» змей 13:41
Инфракрасное излучение Солнца недоступно человеческому глазу. Блэкмор объясняет, что ни одна биологическая оптическая система из прозрачных тканей не способна сфокусировать одновременно весь спектр от синего до инфракрасного из-за явления хроматической аберрации (разной степени преломления цветов, открытой Ньютоном).
Человек научился обходить это ограничение технически. На лекции демонстрируется тепловизионная камера шотландской фирмы Barr & Stroud стоимостью около 55 000 фунтов стерлингов, которая на момент съемок всего год как была рассекречена военными. Ее линза стоимостью 7 000–8 000 фунтов сделана из германия — материала, пропускающего инфракрасные лучи. При выключенном студийном свете камера отчетливо фиксирует тепловые силуэты зрителей: участки с горячей кожей выглядят ярко-белыми, в то время как кончики носов остаются темными и холодными.
В живой природе аналогичный инструмент выработали змеи-охотники, в частности ямкоголовые гадюки (пит-вайперы), к которым относятся гремучие змеи, мексиканский щитомордник и медноголовый щитомордник. Прямо под глазами у них расположены особые углубления — пит-органы.
Поскольку змеиный организм не может создать прозрачную линзу для тепла, природа использовала принцип камеры-обскуры (pinhole camera). Инфракрасные лучи проникают через крошечное отверстие и формируют внутри ямки размытое, но достаточное для точной атаки тепловое изображение. На один кубический сантиметр поверхности этого органа приходится 1 миллион тепловых детекторов, что в 5 раз превышает число тепловых рецепторов на всем теле человека. Эксперимент с наполненным теплой водой воздушным шаром доказывает, что змея безошибочно отслеживает движения теплого объекта в темноте, даже не касаясь его.
🧭 Поляризация света и навигация насекомых 19:42
Солнечный свет изначально вибрирует во всех направлениях. Однако проходя через земную атмосферу и сталкиваясь с микрочастицами, лучи рассеиваются и поляризуются, сохраняя вибрацию только в одной плоскости, строго перпендикулярной направлению распространения.
Для наглядности Блэкмор использует исторический подсвечник Майкла Фарадея и два поляризационных фильтра. Если наложить фильтры друг на друга под прямым углом, свет от свечи полностью гаснет, поскольку вторая пластина блокирует волны, пропущенные первой. Атмосфера Земли создает в небе гигантский узор поляризации, который жестко привязан к текущему положению Солнца.
Человек этого узора не видит, но сложные фасеточные глаза насекомых (например, стрекоз) к нему чувствительны. Обратной стороной фасеточного глаза является его крайне низкое пространственное разрешение. По расчетам ученых, если бы человек захотел получить свое нынешнее качество зрения с помощью фасеточных глаз, каждый его глаз должен был бы достигать более метра в диаметре.
Главный плюс глаза насекомого — строгая упорядоченность молекул пигмента, что превращает его в природный поляризационный фильтр. Фотография неба в пустыне Сахара через фишай-объектив и поляризатор наглядно показывает четкую темную полосу, проходящую под углом 90 градусов к меридиану Солнца. Благодаря этому насекомые способны безошибочно определять положение светила для навигации, даже если оно скрыто за облаками или находится за линией горизонта.
🦇 Мир инфразвука и ультразвука: от голубей до летучих мышей 24:33
Диапазон человеческого слуха ограничен частотами от 15 Гц до 18–20 кГц. Согласно базовым законам акустики и резонанса, крупные объекты порождают низкие частоты, а маленькие — высокие. В качестве исторической ремарки Блэкмор демонстрирует пивные бутылки, которые сэр Лоуренс Брэгг использовал в своих прошлых лекциях для извлечения музыкальных резонансных звуков с помощью потока воздуха.
В масштабах планеты гигантские объекты и явления генерируют инфразвук (ниже 15 Гц):
- Грозовые фронты и ураганы;
- Землетрясения и смещения земной коры;
- Запуски космических ракет;
- Сильные ветры, огибающие далекие горные хребты.
Обычный почтовый голубь способен улавливать звуковые колебания частотой до 0,01 Гц (одна сотая колебания в секунду). Голуби слышат грозы и шум ветра над горами на расстоянии в тысячи километров. Геофизические станции и слух голубей одинаково успешно фиксируют инфразвуковую волну от самолета «Конкорд», пересекающего Атлантический океан. Блэкмор предполагает, что птицы используют эту инфразвуковую карту Земли для глобальной миграции.
На другом конце шкалы находится ультразвук (выше 20 кГц). Мелкие грызуны активно используют его: например, самец крысы при встрече с самкой издает ультразвуковой «волчий свист». Восьмидневные мышата, будучи разлученными с матерью, начинают непрерывно кричать в ультразвуковом регистре.
С помощью специального прибора — бат-детектора — этот писк переводится в слышимый для человека диапазон. Громкость крика крошечного мышонка составляет около 120 дБ, что сопоставимо по интенсивности со звуком садящегося сверхзвукового лайнера.
Классическим примером использования ультразвука являются летучие мыши. Используя модели профессора Пая из Колледжа королевы Марии, лектор демонстрирует направленность звука частотой 40 кГц. Из-за короткой длины волны ультразвуковой луч ведет себя подобно свету фар, отражаясь только от объектов прямо перед летучей мышью. Возникающий при движении доплеровский сдвиг частоты позволяет животному мгновенно вычислять скорость и направление полета жертвы. Замедленная съемка фиксирует, как летучая мышь ловит брошенных в полной темноте мучных червей, помогая себе крылом. Аудиозапись песни крошечного нетопыря-карлика (pipistrelle bat), замедленная в 32 раза, наглядно демонстрирует, как частота импульсов резко возрастает по мере приближения к цели перед финальным захватом насекомого.
🦋 Эволюционная война: защита насекомых и детекторы хищников 34:50
В ходе эволюционного противостояния насекомые выработали защитные механизмы против эхолокации летучих мышей. Маленькое насекомое златоглазка (lacewing) имеет специализированный орган слуха, расположенный прямо внутри жилки переднего крыла. Этот миниатюрный датчик состоит всего из 30 сенсорных клеток. Как только златоглазка фиксирует ультразвуковые импульсы летучей мыши, её нервная система запускает рефлекс хаотичного пикирования (tumbling dive). Замедленное видео подтверждает: при включении искусственного ультразвукового излучателя насекомое мгновенно складывает крылья и падает вниз, уходя с траектории атаки хищника. Аналогичным образом спасаются многие виды ночных бабочек.
Бабочка дневной павлиний глаз (peacock butterfly) пошла еще дальше в технологиях защиты. Получив ультразвуковой сигнал угрозы, она резко и широко распахивает крылья. В этот момент стыки крыльев издают мощный высокочастотный щелчок. Этот звук буквально глушит и сбивает с толку радар летучей мыши, искажая эхо-сигналы.
Звуковая коммуникация насекомых — кузнечиков, сверчков и цикад — строится на процессе стридуляции (трения зазубренных лапок о надкрылья). Этими звуками они обозначают пол, физиологическое состояние, границы территории и видовую принадлежность.
Однако эта открытая связь делает их уязвимыми перед другими хищниками. Крупный паук-птицеед из семейства тарантулов научился перехватывать ультразвуковые сигналы кузнечиков. Органы слуха этого паука расположены прямо внутри его передних лап — там находятся миниатюрные резонансные камеры, улавливающие высокочастотный шум потенциальной жертвы.
🐟 Звуки в воде и боковая линия рыб 40:35
Физика распространения звука в водной среде имеет две ключевые особенности:
- Скорость звука в воде примерно в 4–5 раза выше, чем в воздухе.
- Звуковые волны практически не пересекают границу раздела сред из-за сильного акустического сопротивления.
Рыба под водой не слышит происходящего на суше, но улавливает малейшие подводные колебания. С помощью погружного гидрофона Блэкмор транслирует в зал песню горбатого кита. Из-за широкого спектра и низкой частоты звуки китов способны распространяться по океану практически вокруг всего земного шара. Примечательно, что все киты из одной популяции поют в течение сезона одну и ту же песню, ежегодно модифицируя её структуру к новому брачному периоду.
Поскольку у рыб нет традиционного наружного уха, большинство из них использует плавательный пузырь в качестве воздушного резонатора, передающего изменения давления воды напрямую к внутреннему уху (как у рыбы-солдата).
Помимо этого, рыбы и некоторые амфибии обладают уникальным чувством — боковой линией (lateral line). В отличие от ушей, реагирующих на изменение давления, боковая линия улавливает непосредственное смещение микрочастиц воды вокруг тела. Анатомически боковая линия трески представляет собой систему подкожных каналов, сообщающихся с внешней средой через поры. Внутри каналов расположены волосковые клетки с крошечными рычажками-желе.
Слепые пещерные рыбы, полностью лишенные глаз, используют боковую линию как активный радар. Они плывут, генерируя перед собой волны воды, а затем улавливают их отражения от камней и стенок аквариума. На демонстрации видно, как слепая рыба идеально лавирует между препятствиями, не задевая их.
Шпорцевая лягушка ксенопус (Xenopus) имеет боковую линию, напоминающую швы от ниток по бокам туловища. Эксперименты немецкого исследователя Петера Гёнера доказывают: даже с закрытыми глазами лягушка мгновенно и безошибочно прыгает в сторону источника вибрации воды, вычисляя его координаты исключительно за счет рецепторов боковой линии. Это же чувство позволяет многотысячным косякам рыб совершать синхронные коллективные повороты без риска столкновения.
⚡ Электрические поля и магнитный компас природы 48:40
Ряд водных обитателей освоил восприятие электрических полей. Электрический сом из Южной Америки генерирует мощные высоковольтные разряды тока. Громкие щелчки в динамиках лекционного зала фиксируют импульсы, которыми сом способен намертво оглушить свою добычу.
Другая рыба — гимнотус (Gymnotus) — генерирует высокочастотные слабые токи не для нападения, а для навигации и общения. Стабильность её электрического генератора феноменальна: погрешность частоты импульсов составляет менее 0,01%. Искажения собственного электрического поля вокруг тела позволяют рыбе видеть карту окружающих предметов в мутной воде.
Акулы развили электрическое чувство до предела совершенства. По словам Колина Блэкмора, акула использует многоступенчатую систему поиска добычи:
- Обоняние: позволяет уловить каплю крови на расстоянии более полукилометра (у молотоголовой акулы ноздри разнесены по краям «молота», что помогает определять направление на источник запаха путем покачивания головой);
- Слух: помогает услышать хаотичные движения раненой рыбы в радиусе километра;
- Боковая линия: включается на расстоянии нескольких метров для улавливания вибраций;
- Электрическое чувство: обеспечивает точный финальный бросок, реагируя на токи от кожи и жабр жертвы.
Любая живая ткань при контакте с водой неизбежно создает микроскопические электрические поля. Именно на эти поля ориентируется акула в последние доли секунды перед укусом.
В финальной части обзора природных сенсоров Блэкмор касается магнитного чувства. Первое строгое научное описание магнитного компаса было сделано на примере магнетотактических бактерий. Внутри этих микроорганизмов расположена цепочка бусин из оксида железа — магнетита, обладающего ферромагнитными свойствами.
Под воздействием обычного электромагнита на лекции бактерии послушно меняют траекторию движения, разворачиваясь вслед за полюсами. Магнитное поле Земли указывает бактериям направление «вниз», помогая им уходить от опасной для них поверхности водоема в донный ил.
За последние годы микроскопические отложения магнетита, соединенные с нервными волокнами, были обнаружены у множества животных:
- у рыб;
- у морских черепах;
- у пчел;
- у почтовых голубей (в шейных мышцах).
Лектор предполагает, что даже у некоторых людей могут присутствовать остаточные следы этого загадочного магнитного чувства, хотя прямых доказательств нервной связи человеческого магнетита с мозгом пока не найдено.
🕶️ Расширение человеческих чувств с помощью технологий 55:38
Человечество не должно стыдиться ограниченности своих врожденных чувств. Эволюция дала нам ровно то, что необходимо для выживания нашего вида. Благодаря высокоразвитому интеллекту и технологической изобретательности, человек научился создавать искусственные органы чувств. У нас нет ушей летучей мыши, но мы строим бат-детекторы; мы не видим радиацию, но создаем датчики рентгеновского и гамма-излучения.
Для финальной демонстрации Блэкмор приглашает Брайана Пейна — технического специалиста компании British Telecom и основателя благотворительного фонда «Электронные средства помощи незрячим». Брайан слеп от рождения. На лекцию он пришел в специальном приборе под названием Sonic Guide («Соник Гайд»), встроенном в оправу очков.
Принцип работы устройства полностью копирует эхолокацию летучей мыши:
- По центру оправы расположен миниатюрный излучатель, посылающий вперед ультразвуковые импульсы высокой частоты.
- По бокам установлены приемники, фиксирующие эхо.
- Полученный сигнал трансформируется в звуки разной тональности и громкости, подающиеся в наушники Брайана.
Прямо на сцене Брайан Пейн демонстрирует работу прибора в действии. Он безошибочно определяет на слух положение двух вертикальных столбов-ориентиров, четко проходит ровно посередине между ними, а затем находит третий случайный столб, выставленный зрителем из зала, и вплотную приближается к нему лицом. Брайан шутит, что пока на его пути не попадаются пикирующие ночные бабочки, система работает безупречно. Таким образом, технологии замыкают круг, возвращая человеку возможности, подсмотренные у дикой природы.
