Огнедыхание по науке

В издательстве МЦНМО вышел сборник лекций «лучшего учителя России по биологии» Андрея Квашенко «Теоретическая драконистика. Могла ли эволюция создать дракона?». В канун наступления китайского Нового года, который пройдёт под покровительством Зелёного Деревянного Дракона, IQ.HSE публикует из него фрагмент. В нём рассказывается, как могла бы в ходе реальной эволюции драконов в условиях природы Земли развиться их описанная в мифах и легендах способность изрыгать пламя.

Проблема сероводорода: гастролиты

У протодраконов есть возможность создать экологическую нишу охотников-шокеров, обитающих в степях, саваннах и прериях. С учётом общей ущербности конструкции смертность среди протодраконов должна быть очень высокой. Выживают единицы, волею судеб сумевшие использовать свою боевую отрыжку.

Откуда в её составе сероводород? Для появления H₂S в продуктах питания должны содержаться как минимум следы серы. Можно ли получить сернистый водород, не имея серы вообще? Невозможно. Разумеется, следы её в организме содержатся всегда и у всех, так как сера является одним из элементов, входящих в состав некоторых аминокислот, а из них строятся белки. Но чтобы газовый пистолет сработал на полную мощность, серы должно быть тоже много. А много её в живых организмах не бывает… Значит, надо поискать доступный источник серы в неживой природе и заодно разобраться, с какой стати нормальный зверь начнёт употреблять в пищу минеральные образования? И тут вырисовывается прелюбопытная картинка.

У большинства рептилий существуют проблемы с пережёвыванием пищи, а у их потомков — млекопитающих — подобной проблемы не наблюдается. Дело в том, что в линии развития млекопитающих, у синапсидных рептилий, от которых те произошли, образуется так называемое вторичное нёбо, разгораживающее исходно единую ротоглотку на два этажа — ротовую полость и полость носа. Без вторичного нёба пережёвывать пищу не получится — задохнёшься на раз. Вот и приходится бедным лишенцам измельчать пищу уже в желудке, используя для этого проглоченные камушки — гастролиты. (У других потомков рептилий — птиц (которые тоже не жуют) — для этого обособляется отдельная камера желудка.) 

Необходимость в гастролитах настолько велика для нормального пищеварения, что охотники устраивают своеобразные приманки. Например, в лиственничной тайге, где вся почва на многие километры покрыта плотным слоем опада, достаточно высыпать на поляне пару вёдер песка с гравием, чтобы это место превратилось в клуб для местных глухарей, тетеревов и рябчиков. Мелкие камушки, двигаясь в желудке, как жернова, перетирают даже очень грубую пищу. Одна беда — сами они при этом истираются и со временем проскакивают в кишечник, а оттуда — на улицу. Значит, нужна новая порция. И так всю жизнь.

Другой аналогичный пример связан с использованием приманок из соли у охотников на копытных. Приманки эти называются солонцами или лизунцами. Соль (NaCl) в водном растворе диссоциирует на ионы натрия и хлора. И те и другие ионы — важнейшие участники в огромном количестве процессов, и в первую очередь в проведении нервного импульса. Ионы хлора связаны с тормозными реакциями нейронов, ионы натрия вместе с ионами калия определяют исходный потенциал на мембране, то есть это важнейшая вещь. Но дело в том, что почки позвоночных в ходе работы по целому ряду причин натрий и хлор выбрасывают. 

Что в результате необходимо постоянно делать с этими двумя ионами для того, чтобы нервная система и прочие клетки продолжали работать нормально? Правильно — пополнять. Некоторое количество натрия и хлора, конечно, содержится в пище, но в растительной пище этих ионов недостаёт принципиально. Поэтому время от времени все травоядные идут искать солончаки.

На эту тему есть серия из цикла фильмов BBC «Планета Земля», в которой отснята дивная картинка: на поляне посреди джунглей собираются все местные слоны, буйволы, антилопы и прочие для того, чтобы рыться в местной грязи. А в грязи этой — соленый источник. Понятно, что столпотворение образуется не от того, что животные такие умные, а потому, что в том случае, если не складывается данная форма поведения, они не выживают. Так что поиск необходимого минерального сырья — явление, которое очень хорошо известно у самых разных групп животных.

В результате, если дракончики наткнулись на подобный эффект от некоего минерала, содержащего серу, будет ли в дальнейшем формироваться поведение активного поиска такого минерала? Конечно, будет. Ведь эффективность газовой атаки возрастает в разы. Осталось выяснить, существует ли в природе наш минерал… И выясняется, что одно из самых распространённых неорганических проявлений серы — это пирит, сернистое железо (FeS₂). Он широко распространён во всех горных районах, откуда его обломки легко попадают в предгорья, и в принципе встречается повсеместно. 

Пирит — это то самое «золото дураков», серный колчедан, который так хорошо памятен людям моего поколения, когда полвека назад любой шестиклассник вполне себе бегал с лопатой по обрывам, искал клады и всё про клады знал. Пирит прозвали «золотом дураков» за необычайное сходство, собственно, с золотом. Отличие его в кубической форме кристаллов (против бесформенного сгустка), более светлом, соломенном оттенке (хотя некоторые образования рудного золота в таком цвете встречаются) и более лёгком весе (для дурака сойдёт).

Меж тем пищеварительные системы имеют мощную систему защиты от агрессивных сред. Напомним, что один из основных компонентов желудочного сока — это соляная кислота (HCl), а рН желудочного сока — около 1. По-русски это означает, что в желудочном соке много соляной кислоты.

При соединении с пиритом получаем

HCl + FeS₂ → FeCl₂ + H₂S.

Любой протодракон, так же как и любой нормальный варан, время от времени глотает камни. Однажды наш герой, случайно наглотавшийся пирита, отвечает хищнику сокрушительной газовой атакой. (Правда, в этом месте токсиколог скажет, что сероводород слишком ядовит и его нельзя накопить в организме в ощутимых концентрациях. Ну что ж, и соляная кислота — не сахар.) Получив такой жизненный опыт, протодракон всё-таки сможет ответить хищнику и эффективно охотиться… 

Пока не кончится пирит. А дальше — дело техники. Вероятнее всего, у потомков протодракончиков этот опыт со временем перейдёт во врождённую основу регуляции поведения, как у копытных — с поиском солонцов. Так протодракончики превращаются в регулярных искателей и потребителей пирита, и это будет иметь для нас несколько важных следствий.

Во-первых, ареал обитания протодраконов смещается из открытых ландшафтов ближе к предгорьям и горам, туда, где пирита будет побольше. А во-вторых, другое прозвание пирита — ружейный камень или огневец…

Пирит и зажигалка

Название «пирит» восходит к началу нашей эры и происходит от греческого слова «пирос» (огонь). Название это связано с древним способом добычи огня. По Плинию, образцы пирита «при ударении гвоздём или другим камнем дают искры, кои, будучи изловлены на сере, или сухой губке, или на листьях, скорее загораются, нежели слово вымолвить можно». В. Севергин указывает, что «железный колчедан называли также ружейным камнем, потому что употребляли оный в ружьях, прежде нежели стали на то употреблять кремень». Последнее понятно: кремень, пусть искрит и похуже, дешевле и доступней, отсюда и «кремнёвые ружья».

Теперь вернёмся к исправным потребителям пирита. Напомню, что мы возводим протодраконов к варанам, у которых имеется дополнительный нижнечелюстной сустав, позволяющий открывать пасть очень широко. Вообще-то у всех рептилий нижнечелюстной сустав сдвинут в крайнюю заднюю точку черепа. Широко распахнутая пасть обеспечивает захват более крупного участка тела или более крупной жертвы целиком, а потому выгодна. 

Но когда начинаешь открывать пасть на угол больше 90 градусов, возникает опасность: сустав может легко выскочить из лунки крепления. Даже если вы сделаете головку сферической, её невозможно проворачивать до бесконечности — она упрётся в стенку. Можно ли открыть пасть ещё шире? Казалось бы, нет. Но варанам это удаётся благодаря дополнительному суставу.

Протодракончики перенимают эту особенность строения челюсти, тем более что для боевой отрыжки надо полностью распахнуть пасть. А теперь представим бытовую ситуацию: мелкая косточка или ещё какая-то дрянь прочно застревает у вас между зубами. Правда, между редкосидящими (с нашей точки зрения) зубами варана очень мелкий предмет не застрянет. Значит, он должен быть не очень мелким. Предположим, что камушек застрял, как это показано на рисунке ниже, и протодракон открывает пасть до предела. 

Как результат, срабатывает дополнительный нижнечелюстной сустав. При этом передняя ветвь нижней челюсти слегка смещается вперёд и поворачивается вниз. Ось вращения проходит ниже линии зубного ряда. Рычаг оказывается очень выгодным: последний зуб верхней челюсти, покрытый твёрдой эмалью, с силой бороздит поверхность застрявшего камушка.

Искра! А если дракончик «стреляет из газового пистолета»?.. Эффект получится потрясающий, и прежде всего для самого стрелка.

Сероводород, о котором мы говорили, горюч, но в выдыхаемом газе его всё-таки относительно немного. Основу газов, которые образуются при застаивании, метеоризме и так далее, составляет метан. Вообще, метаногенные бактерии, живущие в кишечнике, более характерны для травоядных, но имеются они у всех. А метан не просто отлично горит — он образует с воздухом взрывоопасные смеси (при определённых концентрациях компонентов).

Так как эффективность газового пистолета у дракончиков с самого начала подвергается серьёзному отбору, то газ будет выбрасываться плотной струёй под порядочным давлением. При воспламенении мы получим возникшую на пару секунд копию паяльной лампы или газового факела. А с факелом вот какая развивается история: серьёзные ожоги за те несколько секунд, когда в пасти протодракончика играет пламя, не получишь.

Вот горит передо мной костёр, а вот языки пламени. Могу я пронести руку сквозь пламя? Могу. А ожоги какие-нибудь появятся? Да никаких ожогов не будет. В чём дело? Газовые факелы — эфемерные факелы. За одну секунду, допустим, могут ли они нагреть твёрдое тело до достаточно высокой температуры? Нет, не могут. Тем более что на поверхности тела всегда есть какое-то количество влаги. В результате боѓльшая часть тепла от факела уйдёт на испарение влаги. Но если бы дракончик выдыхал напалм, то есть жидкость, тогда история была бы совершенно другая. Жидкость приклеилась бы к ротовой полости, и всё, привет, конец дракончику. А поскольку идёт выдыхание газовой смеси, первое, что шокированный дракончик сделает, — это захлопнет пасть. Как это скажется на работе горелки? Доступ кислорода прекратится, факел потухнет.

Но шок, конечно, сильнейший. Заметим, что зубы протодракончика в принципе очень твёрдые, как и у любой нормальной рептилии. Вообще, здоровый некариозный зуб (к современным горожанам это, увы, не относится) обычной, не инструментальной сталью поцарапать практически нельзя. Поэтому зажигалка получается очень эффектная.

Так мы получили заход на возникновение огнедыхания. И если уж подобный механизм возник, то эволюция, несомненно, его подхватит и усовершенствует. Ведь преимущества огненной атаки что при защите, что при нападении очевидны. И дело тут вовсе не в сжигании противника — эфемерным газовым факелом за пару секунд хищника не сожжёшь, — а в шоке, со всеми уже обсуждавшимися последствиями. Всё-таки факел — это вам не огнемёт.

Развитие огнедыхания во всех отношениях является логическим продолжением причудливой специализации охотника-шокера. Насколько это важно, становится ясно, если учесть, что механизм небезопасен для самого пользователя. Поэтому и невозможно представить себе, что огнедыхание, пусть в виде заготовки, сваливается на голову нормальному зверю и он получает какие-либо преимущества. У него ведь нет поведенческих программ «а что с этим делать». А так все основные врождённые программы имели возможность (и необходимость!) сформироваться ещё на этапе эволюционной отладки относительно безопасного газового пистолета. Впрочем, эволюции есть ещё над чем поработать.

Последнее, что скажем насчёт пирита, относится ко второму его компоненту — железу. Железо входит в состав гемоглобина, который, собственно, транспортирует кислород и попутно придаёт крови красный цвет. Значит, у драконов кровь должна быть тёмно-вишнёвая — почти чёрная. Всё в соответствии с мифами!
IQ