«Эффекты бабочки» в истории человечества

Грандиозные вещи делаются грандиозными средствами. Одна природа делает великое даром.

А.Герцен

О том, как бабочки — существа, на крыльях которых природа демонстрирует свою способность творить прекрасное, — вдохновляли многих писателей, поэтов и художников, мы уже писали («ХиЖ, 2006, № 11). Бабочки причастны к философским основам великих религий. К бабочке обратился Будда в своей предсмертной проповеди; Брахма, наблюдая в саду превращение гусеницы в куколку, а куколки в бабочку, пришел к идеи реинкарнации как пути достижения совершенства. Но образ бабочки использовали также современные ученые и философы. О «бабочке в Бразилии, взмах крыльев которой может вызвать ураган в Техасе» — ничтожной причине, за которой следуют важные события, — знают даже те, кто ничего не понимает в бифуркациях и неравновесных системах. (Кстати, предложил этот образ американский метеоролог Эдвард Лоренц в 1963 году: в его компьютерной модели округление исходных данных с миллионных долей до тысячных, вопреки ожиданиям, совершенно изменило результат.) И, наверное, нет такого исследователя биоразнообразия, который хоть раз бы не упомянул в своих выступлениях бабочку Брэдбери: случайная гибель одного насекомого в далеком прошлом сделала мир будущего бедней и уродливей.

Кто-то скажет, что это просто метафоры. Но взмахи крыльев бабочек и в самом деле оставили след не только в литературе. Можно сказать без преувеличения, что вся история человечества сложилась бы иначе, не прими в ней участие эти насекомые.

От шелка до феромона

Сотрудничество людей и бабочек началось примерно пять тысячелетий назад. Древнекитайский философ Конфуций пересказывает легенду о том, как человек впервые узнал про шелковую нить. Императрица Си-Лин-ши нашла под кустом тутовника кокон и приняла его за какой-то дивный плод. Но он случайно выпал из ее рук в чашку с чаем. Стараясь достать его, императрица вытянула шелковую нить. В благодарность за это нечаянное открытие китайцы возвели Си-Лин-ши в ранг божества Поднебесной империи. А занимались производством шелка первое время лишь императрицы и женщины из числа их приближенных.

Шелковые коконы сплетают из своей затвердевающей на воздухе слюны — белкового вещества — гусеницы многих видов шелкопрядов и павлиноглазок, но самый ценный производитель шелка — тутовый шелкопряд (Bombyx mori, семейство Bombicidae). Уже много тысячелетий в Китае разводят эту бабочку. Долгое время способ получения шелка оставался тайной, за разглашение которой по законам Поднебесной полагались пытки и смертная казнь, и в других странах он ценился на вес золота.

Но все тайное в конце концов становится явным. Согласно древним текстам, в IV веке н.э. китайский император выдал дочь за правителя Бухары. Подарок принцессы жениху, скрытый в ее причудливой прическе, был бесценным — яйца тутового шелкопряда. В том же веке шелководством занялись и в некоторых районах Индии. А в VI веке н.э. двум монахам удалось донести до Европы не только яйца шелкопряда, но и семена тутовника (шелковицы), спрятанные в посохах. Тысячу лет спустя Франция стала одним из основных производителей шелка в мире.

Однако и сама китайская монополия на шелк, как ни парадоксально, внесла важный вклад в историю культуры. «Великий Шелковый путь» — караванная дорога, связывавшая в древности Запад с Востоком и протянувшаяся через грандиозные горы Центральный и Средней Азии, — служил развитию географии как науки, а также способствовал экономическим, политическим и культурным связям между странами Европы и Азии.

Тутовый шелкопряд — пример абсолютного служения людям: эти бабочки в природе уже не встречаются и даже разучились летать. Каждый кокон состоит примерно из 3,5 км нити, но размотать удается не более 1 км. Сам шелк настолько легок и прочен, что из него делают парашюты; 1 мм² выдерживает нагрузку до 46 кг, т.е. не уступает стали.

Из коконов китайского дубового шелкопряда (Antheraea pernyi) получают другое натуральное шелковое волокно — то, из которого ткут красивую легкую золотистую чесучу. К диким производителям шелка относится и китайская дубовая павлиноглазка (Antheraea harti).

В ХХ веке у шелка появился серьезный соперник — химические волокна: искусственные, а затем и синтетические. Многие из них превосходят шелк по прочности, обладают меньшей сминаемостью, устойчивее к истиранию. Но человек лучше чувствует себя в одежде из натурального шелка благодаря его высокой способности впитывать влагу и меньшей, чем у синтетики, электризуемости. Тем не менее мировое производство шелка постепенно падает (теперь оно не превышает 45000 тонн в год), а химических волокон — растет. Китай, некогда основной производитель шелка, переместился с первого места на третье — после Японии и Кореи. И все же заметим, что в синтетические полиамидные волокна (капрон, найлон, энант и др.), как и в шелковую нить, входят амидные группы. Получается, что и прясть волокно человек учился у бабочек!

Однако шелк — не единственный дар тутового шелкопряда. В странах Азии после использования коконов десятки тысяч тонн куколок зажаривают, засахаривают и съедают как богатый белками деликатес. А сравнительно недавно из куколок начали выделять масло, используемое для лечения рака. Вклад же этой бабочки в самые различные области знаний поистине удивителен.

Луи Пастер в 1865 году впервые установил, что некоторые болезни тутового шелкопряда имеют инфекционную природу. Результаты его исследований не только спасли в XIX веке шелководство во Франции, но и стали частью заложенных им основ микробиологии.

Коконы шелкопряда

Академик Б.Л.Астауров в 30-е годы прошлого века провел на тутовом шелкопряде исследования, которые стали классическими и послужили, в частности, важными доказательствами в пользу хромосомной теории наследственности. Так, он подобрал термическое воздействие, которое побуждало к развитию неоплодотворенное яйцо шелкопряда: в результате из таких яиц развивалось потомство, генетически идентичное матери (такой тип размножения называется партеногенезом). Однако шелководам гораздо выгоднее разводить самцов, так как в их коконах больше шелка. Поэтому Б.Л.Астауров разработал способ андрогенеза: воздействием гамма-лучей и высокой температуры на яйцо «выводили из строя» его ядро, так что затем из этих яиц развивались самцы, получившие генетический материал только от оплодотворивших их сперматозоидов.

Опыты на тутовом шелкопряде стоят у истоков наших знаний о феромонах — активных веществах, выделяемых животными в окружающую среду и специфически влияющих на поведение или физиологическое состояние других особей того же вида. Несколько миллиграмов полового феромона самки тутового шелкопряда, бомбикола (согласно систематической номенклатуре это транс-10-цис-12-гексадекадиенол-1) выделил из сотен тысяч особей в 1959 году А.Бутенандт после 20 лет упорного труда. Это вещество привлекает партнера к самке уже при концентрации 3 10^-19 мг/мл.

О пользе прожорливых гусениц

Наблюдения, накопленные при изучении и сборе бабочек, позволили замечательному натуралисту и путешественнику А.Уоллесу независимо от Дарвина (который, кстати, тоже был знатоком бабочек) и почти одновременно с ним прийти к открытию движущей силы эволюции организмов — борьбы за существования и неразрывно связанного с ней естественного отбора. Уоллес писал: «Ни одна другая группа, может быть, не обнаруживает с такой определенностью и точностью отличительных признаков рода и вида, вероятно, потому, что, по меткому замечанию Бейтса (автора книги «Натуралист на Амазонке» и др. — Л.К.), все внешние признаки изменения организации проявляются в ней в преувеличенном масштабе в смысле величины, формы и жилкования крыльев. Маленькие чешуйки на крылышках образуют известный рисунок, который и изменяется при малейшем изменении окружающих условий». Х.Бейтс предвидел, что «изучение бабочек... будет впоследствии считаться одной из важнейших отраслей биологических наук». Так и оказалось. По современным представлениям, важнейшие факторы эволюции — мутации генов и естественный отбор. Бабочки же представляют собой удобный объект для генетиков: изменения в генах могут наглядно проявиться в окраске и рисунке крыльев, а быстрая смена поколений ускоряет работу.

Бесспорной героиней в исследованиях микроэволюционных процессов стала скромная березовая пяденица (Biston betularis). Преобладание в популяции особей темной или светлой окраски зависит от цвета коры деревьев, на которых бабочка располагается днем. Естественно, темные пяденицы лучше замаскированы на темной коре, светлые — на светлой. Отбор проводят птицы, которые склевывают первыми тех, кто лучше заметен. В свою очередь, к почернению березовых стволов ведет загрязнение сажей и копотью. Таким образом, пяденица становится индикатором экологического благополучия местности. Об аллельных формах гена, определяющих окраску этой бабочки, подробно и увлекательно рассказал читателям «Химии и жизни» профессор А.А.Прозоров (2004, № 3).

Березовая пяденица (темная и светлая формы)

Польза от бабочек многократно превосходит вред, который причиняют гусеницы, поедая растения. Причем в распространении и массовом размножении гусениц часто бывает повинен сам человек: численность вредителей резко возрастает там, где на обширных площадях высаживают одну и ту же культуру (монокультуру). Благоприятствует вредителям и неоправданное применение пестицидов, от которых в первую очередь страдают полезные насекомые, уничтожающие вредных.

С другой стороны, гусеница, поедающая растение, не всегда причиняет ему вред. В сложившихся за миллионы лет отношениях насекомого с его кормильцем есть правила, которые помогают выжить обоим. Нередко повреждение даже стимулирует развитие растения. На каждом гектаре широколиственного леса при биологическом равновесии обитает 200—300 килограммов гусениц! Оказывается, деревьям нужно, чтобы их объедали. Лес, где гусеницы уничтожены ядохимикатами, обречен на усыхание из-за накопления листьев, покрывающих почву. А вот деревья, у которых часть листвы весной и в начале лета съедают гусеницы, сразу получают достаточно удобрений — до 200 кг экскрементов на гектар. Листва, появившаяся в середине лета, не столь обильна и осенью дает опад, который к весне успевает перегнить и увеличивает в почве количество необходимых органических веществ. И только когда численность гусениц при массовом размножении необычно высока, они могут снизить урожай и даже погубить дерево.

Зато гусеницы бабочек, чьим кормовым растением служит какой-нибудь вид сорняка, подчас оказываются самым эффективным средством борьбы с ним. В первой половине XIX века в Австралию завезли кактус опунцию. Его использовали как живые колючие изгороди вокруг ферм. Но уже к концу века опунция стала злостным сорняком, который в отсутствие естественных врагов к 1920 году захватил площадь около 24 млн.га. Австралийский фермеров спасли червец рода дактилопис и клоп хеленидеа, а также гусеница бабочки огневки кактобластис (Cactoblastis cactorum), которая поедает опунцию на нее родине, в Южной Америке. 2750 яиц, отложенных огневкой на кактус, отправили в Австралию в 1925 году. Уже первое поколение бабочек отложило 100 000 яиц, а следующее — более 2,5 млн. Через несколько лет опунция в Австралии стала редким видом.

Репейница - спасительница американских фермеров

Перед второй мировой войной гусеницы расплодившейся в США репейницы (Vanessa cardui) столь эффективно уничтожали сорняки, что фермеры обратились в департамент сельского хозяйства с запросом — нельзя ли как-то вызывать массовое размножение репейниц каждый год.

Как это можно есть?!

Обжоры гусеницы не только накапливают в себе питательный материал, который поможет куколке превратиться в бабочку, а бабочке — отправиться в полет. Они сами, как, впрочем, и бабочки, и куколки, выступают в роли важного пищевого ресурса для множества животных — от наездников до человека — и даже для паразитирующих грибов. Я не раз испытывал отчаяние, обнаружив, что вместо долгожданного прекрасного аполлона из куколки вылезали мерзкие мелкие мухи-наездники.

Однажды в Перу я обедал на веранде индейской хижины километрах в ста от Икитоса на Амазонке. Мы только что вернулись из сельвы, где искали бабочек, и оживленно обсуждали результаты похода. Я заметил, что одна из мисок на столе заполнена какими-то желтовато-кремовыми цилиндриками с черным пятнышком на конце. Мои спутники, Марио Каллегари и Марви, то и дело погружали в эту миску свои ложки. Увлеченный разговором, я тоже положил в рот такой цилиндрик. Раскусив хрустящую корочку, ощутил сладковатый вкус крема. И тут только я понял, что ем личинку насекомого. Марио подтвердил это. Правила приличия заставили меня проглотить «деликатес» Тогда же Марио рассказал, как пару лет назад их энтомологическая экспедиция заблудилась в сельве и оказалась без продуктов и спичек. Несколько дней они ели одних сырых личинок. К удивлению врачей, энтомологи выбрались из леса достаточно упитанными и в неплохом состоянии.

Личинок бабочек используют в пищу в тропических и субтропических странах не только из-за недостатка продуктов питания, но еще и потому, что они очень вкусны и питательны. Не случайно на тамошних рынках они раза в четыре дороже мяса. И если в Азии популярны куколки тутового шелкопряда, то в Южной Африке предпочитают иное лакомство — жареных и копченых мопани, гусениц прекрасной павлиноглазки белины (Gonimbrasia belina). Там их съедают около 1500 т за год.

Сьедобная африканская гусеница мопани

Не исключено, что в будущем значение бабочек как источника пищи для человека резко возрастет. Ведь 30 тысяч гусениц тутового шелкопряда, только вышедших из яичек, весят 15 г, а через месяц — 150 кг! Если бы 20-килограммоный теленок рос такими темпами, через месяц он весил бы 200 т. (Одна из причин такого стремительного роста в том, что растительноядные насекомые, в отличие от позвоночных, могут усваивать целлюлозу¸ составляющую до 60% сухой массы растения.

Модная биодобавка кордицепс -это гриб, развивающийся в телах гусениц бабочек рода Thitarodes

В последние годы медики заинтересовались удивительным грибком кордицепсом китайским, вырастающим лишь на гусеницах бабочек определенного вида. Разносимые ветром споры грибка заражают зимующую в почве гусеницу, и вскоре мицелий заполняет ее оболочку. Весной из мертвой гусеницы вырастает гриб в виде стебелька. Около двух тысяч лет назад пастухи восточного Тибета заметили, что овцы и яки, поедающие эти грибы, становятся активнее и выносливее. Этот грибок давно используется в китайской и тибетской медицине, а знаменитым он стал в 1993 году, после того как на Национальных играх в Пекине две китаянки, ранее никому не известные, применили его как допинг и побили с фантастическим результатом мировые рекорды по бегу на 1500, 3000 и 10000 м. Сейчас кордицепс становится модной биодобавкой, в том числе и в России. Ведутся лабораторные исследования его стимулирующего эффекта — впрочем, продавцы и покупатели биодобавки, как обычно, не собираются дожидаться результатов. Стоимость особенно качественных стебельков кордицепса на мировом рынке уже достигает десятков тысяч долларов за килограмм.

Опылители в космосе

В роли опылителей некоторых видов растений бабочек не заменят ни шмели, ни пчелы: путь к нектару бывает очень узким, а венчик цветка— таким глубоким, что только бражники своими хоботками могут добраться до лакомства. Так, в XIX веке на Мадагаскаре обнаружили орхидею с цветками такой глубины, что ни одно из известных тогда насекомых не могло опылить их. Чарльз Дарвин предположил тогда, что будет найден бражник, которому это под силу. Предсказание Дарвина сбылось в 1903 году, когда был найден бражник с длиной хоботка около 28 см. Это был Xanthopan morgani, и ему дали подвидовое название predicta, то есть «предсказанный». Интересно, что из всех бабочек только бражники способны опылить за три минуты до ста цветов.

В сентябре 2007 года на землю вернулся спутник «Фотон-М-3», в котором провели на орбите 12 суток микроорганизмы, тараканы, улитки, тритоны, ящерицы, мыши-песчанки, а также тутовый шелкопряд. (Кстати, проект эксперимента с бабочкой в космосе был придуман московскими школьниками.) Гусеница шелкопряда смогла окуклиться на орбите, но «растерялась» в условиях невесомости и обмотала шелковой нитью не себя, а приютившую ее веточку. Космическая экспансия бабочек — вовсе не праздная затея. Сейчас, как известно, идет подготовка к полету на Марс. В проектируемом корабле предполагается оранжерея, которая обеспечит космонавтов свежими овощами. Опыление же цветков собираются доверить бабочкам.

Неудивительно, что для насекомых, чья жизнь тесно связана с цветами, очень важна погода. Наблюдательный человек сможет по поведению бабочек узнать о предстоящем ненастье. За несколько часов до грозового ливня известная всем крапивница спасается под ветками, в помещениях, в дуплах деревьев. За полчаса-час до грозы ищут укрытия в лесу переливницы (Apatura ilia, A.iris). Нервным, дергающимся становится перед грозой полет огромного южноамериканского парусника тоаса (Papilio thoas). Ж.А.Фабр обнаружил, что гусеницы походного соснового шелкопряда (Thaumatopoea pityocampa) перед ненастьем не выходят из своих общих гнезд на ночную кормежку...

Этот скальный массив - место обитания чарльтониуса Анюта

Удивительны синоптические способности куколки прекрасного высокогорного восточнопамирского аполлона чарльтониуса анюта (Parnassius charltonius anjuta). В результате многолетних наблюдений я установил, что время начала выхода этих бабочек из куколок зависит от того, придется ли длительный снегопад на обычные сроки активного лёта бабочек (конец июля — начало августа). Если да, то лёт начинается на неделю, даже дней на десять раньше обычного. Если я замечу анюту на Мынхаджире пятнадцатого — двадцатого июля — буду знать, что не позднее чем через десять дней начнется снегопад. В горах такое знание дорогого стоит.

Аполлон чарльтониус анюта

Наблюдения за бабочками могут помочь геологам в поисках полезных ископаемых. Некоторые растения предпочитают почвы, богатые соединениями определенных металлов, например, цинка, свинца. Цинковые руды надо искать там, где растет фиалка золотистая. А обратить внимание на фиалку помогут бабочки перламутровки — любительницы этих цветов.

Бабочки и бионика

За более чем 200 млн лет существования на Земле бабочки приспособились к самым разнообразным условиям в различных средах обитания. Совершенны строение их тела и крыльев, их сенсорные способности. Мощные грудные мышцы, идеальная с точки зрения аэродинамики форма тела и крыльев бражников позволяют им, лучшим летунам среди бабочек, развивать скорость до 60 км/ч и совершать перелеты на многие сотни километров. И не случайно фюзеляж и крылья современных самолетов напоминают тельце бражника и его передние крылья

Аэродинамические свойства крыла бабочки улучшают и чешуйки. Их двухслойный покров увеличивает его подъемную силу при планирующем полете, а при машущем — снижает шум и вибрацию. Чешуйчатое покрытие способствует и стеканию статического электричества .

Чешуйка покрывает крыло бабочки подобно разноцветной черепице

Сама чешуйка, длина которой не более 0,5 мм, — сложное образование, состоящее из верхней и нижней пластин, соединенных стойками. В углублениях между ребрышками верхней пластины имеются отверстия, позволяющие воздуху проникать в полое пространства чешуйки. Эту конструкцию инженер, авиатор и энтомолог И.С.Ковалев решил использовать в покрытии винта вертолета — и подъемная сила винта увеличилась на 10% благодаря улучшению обтекания поверхности воздухом. Когда же Ковалев снабдил подобным покрытием внутреннюю поверхность трубы диаметром 40 мм, сопротивление движению жидкости в ней снизилось на 10% по сравнению с трубой с гладкой стенкой. Причина — сохранение ламинарного режима при более высоких скоростях. А сходное покрытие трубы снаружи уменьшало теплопотери.

Чешуйка имеет сложное строение

Нанотехнологов могут заинтересовать великие путешественницы — бабочки данаиды большой монарх (Danaus plexippus), пролетающие за три месяца около 3200 км — с севера США и юга Канады до Техаса и Мексики. При этом в облачные дни они летят по своему магнитному компасу — мельчайшим частицам магнитного железняка в тканях груди.

Данаида большой монарх - путешественник с магнитным нанокомпасом в груди

Специалистов по бионике и определению сверхмалых количеств вещества вдохновляет конструкция усиков самцов павлиноглазок и некоторых шелкопрядов: эти бабочки улавливают в воздухе поразительно низкие концентрации феромонов самок . Так, самец павлиноглазки павонии улавливает запах самки за 11 км против ветра, и даже в лесу. Это кажется сверхъестественным, ведь чтобы найти самку, необходимо еще определить направление, в котором концентрация аттрактанта увеличивается. Так как молекулы многих из этих феромонов содержат сопряженные двойные связи, я допускаю, что в этом случае обонятельные рецепторы бабочек улавливают не саму молекулу, а электромагнитные колебания, испускаемые молекулой при перемещении подвижных пи-электронов внутри системы сопряженных двойных связей. Но это, конечно, гипотеза, которая нуждается в проверке.

Чтобы встречи с бабочками радовали и вдохновляли как можно больше людей, во многих странах, в том числе и в России, созданы «Дома бабочек», где великолепных обитателей тропиков можно увидеть живыми и летающими. В последние годы бабочки стали популярным подарком к юбилеям, свадьбам и иным торжествам. Представьте: юбиляр вскрывает коробку, и оттуда вылетают одна или несколько — пестрым фейерверком — крупных ярких бабочек... Праздничное настроение обеспечено! Спрос на «свадебных» бабочек растет, их разводят уже десятки компаний.

Но созерцание бабочек дарит не только радость. В рисунке крыльев этих чудесных существ сочетания невероятно разнообразных цветов и оттенков удивительно гармоничны — здесь отразилась общая гармония природы, ее способность творить прекрасное. Как шахматы развивают интеллект, внимание, расчетные способности, так созерцание бабочек развивает и обостряет способности эстетические: восприятие и понимание прекрасного. А чувство прекрасного делает человека счастливым, позволяя ему находить гармонию и красоту в природе, в профессии, в искусстве, в людях. Поэтому эстетические способности так же нужны человеку для полноценной жизни, как и интеллект. Без развитого эстетического восприятия не обойтись и ученому: при исследовании совершенно новых явлений накопленные знания помогают не всегда, и подчас приходится руководствоваться принципами гармонии. И не случайно многие выдающиеся ученые, художники, писатели, политики с детства собирали и изучали бабочек. Нередко интерес и любовь к природе, определившие профессию многих биологов, зарождались при встрече с прекрасной бабочкой в детстве. Ведь дети наиболее восприимчивы к их фантастической красоте. У всех, и особенно ярко у детей, — эти порхающие цветы создают то ощущение тайны, которое, по словам великого физика и скрипача-любителя Альберта Эйнштейна, «лежит в основах истинного искусства и истинной науки».