Ритмы популяций

Обратим внимание на то, что ходят не отдельные жуки-чернотелки, а сразу их множество. Вот утром, куда не кинь взгляд, бегают крупные блестящие жуки сцитисы. А вечереет, начало сумерек и из нор грызунов и покопок черепах сплошным черным потоком «выливаются» полчища громадных жуков – бляпсов фаусти. Можно сказать, что одна видовая популяция сменяет другую.

Теперь попробуем увидеть закономерности ритмов уже не особей, а популяций... Здесь-то и ждут нас ответы на многие только что заданные вопросы. Как же соотносятся такие колебательные системы какособь и популяция? Чего только не придумывают на эту тему.

Немного пофантазируем

Принято считать, что человек тем и отличается от животного, что мыслит. А одна из особенностей мышления – умение предугадать ход событий, то есть догадаться о том, что еще не произошло. У животных такая способность к прогнозу находится в зачаточном состоянии. Но она тоже есть, как доказали опыты последних лет.

Проявлять свою способность прогнозировать события человек начал давно. Вспомним хотя бы древних пророков. Чаще всего ими были люди, сидящие на перекрестке трех дорог и говорящие очень невнятные слова и фразы. Любой, не обладающий даром прорицания человек, мог послушать это бормотание и сделать далеко идущие выводы для себя и своей семьи. Обычно пророки были просто неграмотными, но весьма разговорчивыми людьми. С тех же времен функционировало и неспокойное племя астрологов, френологов, физиогномиков и прочих. Прорицания этих специалистов были более убедительны. Совпадения случавшихся событий с напророченными разжигали интерес к прогнозированию. Да и кому не интересно узнать, что с ним произойдет не только через 10 лет, но даже завтра.

Постепенно прорицания выросли в научный прогноз, и само слово прогноз стало обыденным. Подмеченная закономерность, если она повторяется во времени, легко может стать основой прогноза. Например, циклон (атмосферный вихрь ограниченных размеров), идущий к Европе от берегов Бразилии, при соответствующих средствах оповещения дает возможность предугадать, скажем, погоду.

Но есть еще один вариант прогноза – поиск аналогов, то есть процессов, имеющих разную основу, но протекающих сходно. Во многих науках, в частности в биологии, нередко пользуются аналогиями. Например, зная, как живет азиатский тушканчик, можно предугадать образ жизни животных, внешне похожих на него, но очень далеких по происхождению – африканских прыгунчиков.

Наши рассуждения, или, скорее, фантазии, будем строить на сходстве процессов, изучаемых различными науками. Тогда, используя известный процесс, попробуем по аналогии спрогнозировать неизвестный.

Процессы в биологии подчас оказываются аналогичными процессам в физике, где имеется целый раздел, посвященный общим свойствам колебательных систем. Чем же мышь не «колебательная система»? В ней со строгой периодичностью колеблется сердце, перекачивая кровь, с определенной периодичностью изменяется состав этой крови. Поведение грызуна повторяется изо дня в день, каждые сутки зверек переходит довольно однотипно от активного состояния к пассивному – сну. Так в одном животном оказывается целая система взаимосвязанных колебаний.

Проведем мысленно школьный опыт прямо в кабинете физики. Попробуем построить мышь! Но ни хвоста, ни усов, да и вообще много характерных особенностей зверька наша конструкция иметь не будет. Мы ее соорудим только по одному признаку: пусть это будет система, колеблющаяся с периодом в 24 часа. Для этого будем соединять между собой, допустим, колебательные контуры, состоящие из катушки и конденсатора. У каждого из них период колебаний очень маленький, а частота весьма большая. Известно, что система взаимосвязанных осцилляторов (колеблющихся единиц) колеблется с большим периодом, чем ее составляющие. Это нам подходит. Будем присоединять контуры друг к другу, пока их не соберется столько, что вся система (цепь) станет колебаться с периодом около суток. Итак, изрядно помучившись, мы создали громадную «электромышь», состоящую из многих колеблющихся единиц, с собственным ритмом – около 24 часов.

Теперь нам интересно посмотреть, как будут взаимодействовать несколько «электромышей». Для этого вспомним одно явление, давно описанное физиками, а именно – наложение колебаний. Чтобы убедиться в его существовании, можно провести еще один опыт. Попробуем к каждому уху приложить часы и, посидев в тишине, послушать. Мы слышим часы, тикающие вразнобой. Через некоторое время они станут тикать все более синхронно, и вот они уже дружно тикают, как одни. Еще немножко терпения, и общий тик нарушается. Снова – разнобой. Чем терпеливее слушать, тем больше мы услышим повторений этой последовательности. Период таких повторений будет значительно большим, чем тиканье часов.

Установив, что одинаковые колебания периодически накладываются друг на друга, предположим, что ритмы активности мышей вполне подчиняются законам физики из раздела «колебания и волны». Остается при помощи аналогий с «электромышью» и по-разному тикающими часами «создать» механизм взаимодействия мышей в природе, то есть считать все сказанное выше элементами модели целого мышиного «населения».

Каждый зверек живет в ритме с периодом около суток, почему бы не представить его как удельный осциллятор? Тогда особи одного вида на некоторой территории (в одном лесу) будут составлять систему таких осцилляторов.

Активность многих мышей (суммарная) должна колебаться с периодом много больше суточного. А если добавить сюда наш житейский опыт с часами, то ясно, что мыши должны в какие-то периоды бегать вразнобой, а иногда – все вместе. Итак, система начала колебаться. Вся эта масса мышей одного вида на одной территории (такую совокупность мышей экологи называют популяцией) то бегает вразнобой, то вся одновременно. Периодичность такого массового появления бегающих мышей – несколько месяцев. Может быть, все было бы так, но в полях живут не «электромыши», а самые обыкновенные – с хвостиками.

Конечно, нафантазированное нами грешит огромным числом неувязок и совсем не похоже на научную гипотезу. Но вот какая странность: зоологи, работающие в экспедициях, часто с удивлением обнаруживают, что у них под ногами в массе мечутся и бегают мыши. И случаются такие дни почти каждое лето, а то и несколько раз за сезон. Объяснить этот феномен достаточно доказательно пока не может никто. И с чего бы мышам бегать?! А может быть, наша модель не совсем плоха? Тем более что такую же гипотезу об организации подвижности в популяции мышей высказывали новосибирские ученые А.С. Николаев и Ю.К. Галактионов.

История науки переполнена фантазиями. Часть их уже обрела вид научных теорий, а многие так и остались фантазиями. Это говорит, прежде всего, о том, как мало еще сделано.

Циркадную систему сообщества грызунов нам построить не удалось, мы ее только сочинили. Мало данных пока имеет наука на этот счет. Возможно, еще многие тысячи учёных будут выезжать в экспедиции в разные районы Земли, накапливать знания по ритмам суточной активности у разных видов животных. Многократная проверка, счет и, конечно, создание разнообразных моделей аналогов – цифровых, теоретических – позволят, наконец, подступиться к этой проблеме. Решение же ее – дело весьма отдаленного будущего.

Можно удивиться тому, зачем сотням ученых заниматься распорядком дня каких-то мышей? Но ведь здесь важен не объект изучения, а цель. Изучают-то биоритмы, а материал (мыши, тараканы и пр.) выбирают только из соображений удобства решения задачи. Что касается мышей, то изучать их не так уж и бесполезно. Нужно просто вспомнить, что грызуны – не только вредители сельского хозяйства, разносчики опасных для человека заболеваний, но и естественный корм для многих пушных зверей, лабораторные животные, необходимые в медицинских исследованиях. Так что изучение мышей оказывается весьма нужной работой.

Лев Ердаков