Самопроизвольное вращение. Дарвиновские диаграммы растительных движений

Наблюдая несколько недель за усиками растений, которые медленно карабкались к солнцу, Чарльз Дарвин пришёл к выводу о необходимости изобрести систему, способную сделать наблюдение за растительными движениями доступным невооружённому глазу. Натали Лоуренс углубилась в эту малоизвестную главу научной деятельности великого натуралиста, чтобы привлечь внимание к незаслуженно забытым открытиям, сделанным им в ходе исследования растительного мира.

Однажды в 1863 году, долгим жарким летом, Чарльз Дарвин написал письмо ботанику Джозефу Хукеру (Joseph Hooker), своему близкому другу. «Меня восхищают усы моих растений, — сообщил Дарвин Хукеру, — они делают своё дело так же кропотливо, как и я» [1]. Находясь у себя в Даун-Хаусе, великий натуралист уже несколько недель лежал в постели, страдая от приступа экземы и депрессии. От пылкой энергии, которая обычно ярко озаряла его исследования и переписку, не осталось и следа. Дарвин нашёл утешение в том, что проявил интерес к обитателям спальни — комнатным растениям. Он ежедневно стал часами наблюдать, как из горшков на его подоконниках растут побеги огурцов, как они исследуют окружающий мир в поисках предметов, позволяющих ползти вверх. Это оказалось очень полезным времяпрепровождением. Будь Дарвин в своём обычном состоянии постоянной активности, у него не было бы времени наблюдать за растениями в темпе их движений. Но, вынужденный замедлиться и существовать с другой скоростью, он чувствовал себя зачарованным.

Интерес к усам растений появился у Дарвина, когда в 1862 году он прочитал в Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences короткую статью гарвардского ботаника Эйсы Грея (Asa Gray) «О скручивании усов» («Note on the coiling of tendrils»), где автор описывает чувствительность растущих усов к прикосновениям [2]. Посчитав эту тему чрезвычайно перспективной, Дарвин написал Грею: «Собираюсь провести несколько экспериментов с усами растений. Не могли бы вы порекомендовать мне растение, которое удобно и просто выращивать в горшке» [3]. Грей прислал ему семена двух вьющихся растений: сициоса угловатого (Sicyos angulatus) и колючеплодника лопастного (Echinocystis lobata), которые можно было посадить весной, чтобы начать наблюдения. Грей, однако, счёл необходимым предупредить, что если колючеплодник «покладистый», то сициос «такой же ужасный и капризный», как и большинство известных ему растений, поэтому Дарвину придётся тщательно ухаживать за ним [4].

«Капризные» сициосы не проросли, а вот колючеплодники прижились, став спутниками Дарвина и безмолвно общаясь с ним у его постели. Они оказались удивительно харизматичными. «Я наблюдаю за этими растениями по-другому, — сообщил Дарвин Грею, — а именно: слежу за непрерывным вращательным движением ведущих побегов, благодаря которому усики имеют возможность вступать в контакт с любым телом в радиусе полфута или 10 дюймов» [5]. Это круговое движение удивило Дарвина: чувствительность усиков была необычной. Казалось, что они обладают чудесным средством исследовать окружающий мир и находить способы пробраться к свету. Для «самопроизвольных вращательных движений», совершаемых растениями, Дарвин ввёл термин циркумнутация (circumnutation) — от латинского circum («вокруг») и nutare («кивать»). Поскольку подробное описание данного явления ему не встречалось, он думал, что сделал открытие.

В своих письмах Дарвин просил Хукера прислать ему для наблюдений какие-нибудь более экзотические растения, пока он лечится, восстанавливая силы и обычную для него безграничную энергию. Он тщательно ухаживал за присланными Хукером растениями, подсаживая их в развешанные вдоль окон спальни горшки с колючеплодниками и клематисами. Его питомцы выросли и закрыли окна зелёным гобеленом, раскинув широкие листья, чтобы купаться в солнечном свете. После четырёх месяцев, в течение которых Дарвин не выходил из дома, увлечённый и зачарованный усами растений, он, вынеся на улицу кресло, стал часами сидеть среди хмеля и следить за тем, как побеги ищут опоры и карабкаются по ним. Дарвин затеял игру с ростом растений, за которыми наблюдал. Прикрепляя к ним небольшие грузы, чтобы тестировать их движения, или делая на их побегах отметки, учёный мог непрерывно отслеживать все изменения, даже отлучаясь.

Тогдашние британские ботаники занимались, в основном, вопросами таксономии, а Дарвину хотелось большего, чем всего лишь давать растениям имена и проводить классификацию. Он хотел наблюдать растения по-новому, соответственно их природе. И обнаружил кое-что замечательное [6]. Некоторые из его растений изумили его. Например, чтобы понять, как побеги повилики Cuscuta pentagona ищут опоры, он поставил рядом с ними вертикальные шесты. По мере роста побеги совершали медленные круговые движения. Наткнувшись на шест, растение «медленно и постепенно скользило вверх по этому шесту, обретая всё больший наклон». Но через некоторое время «побег вдруг отпрянул от шеста и упал на противоположную сторону», прежде чем вернуться к опоре и снова карабкаться по ней вверх [7]. Эти растения совершали сложные движения, и иногда весьма проворно. Результаты наблюдений так восхищали Дарвина, что своему сыну Уильяму он говорил о них весьма поэтично: «Усы растений — вот мой теперешний конёк; к прикосновениям они чувствительнее твоего пальца; а ещё — они удивительно ловкие и смышлёные» [8].

Только после того, как Дарвин рассказал о круговых движениях растений Грею, он осознал, что, в сущности, занимался изобретением велосипеда. Грей резко спустил его с небес на Землю, дав понять, что сделанные им открытия для ряда исследователей отнюдь не новость. Вращательные движения таких вьющихся растений, как огурцы, уже описывались в научной литературе, и не раз, а Дарвин, исполненный энтузиазма и прикованный к постели летним приступом болезни, пренебрёг поисками публикаций на данную тему. Когда, благодаря подсказке Грея, великий натуралист устранил этот недостаток, он, к своему стыду, вынужден был признать, что главное из того, о чём он собирался поведать широкой публике, ей известно — из публикаций других исследователей [9].

«Я успел, — написал он позднее, — пройти в своём исследовании больше половины пути, прежде чем осознал, что удивительный феномен самопроизвольного вращения стеблей и усов вьющихся растений задолго до меня был объектом научных наблюдений» [10].

Дарвин не был обычным натуралистом. Он обнаружил, что, хотя учёные знали про циркумнутацию, они не знали причину её возникновения и не знали, как, в действительности, она осуществляется. Дарвин хотел копнуть глубже. Усы могли быть «ловкими и смышлёными», но насколько они были ловкими и смышлёными — вот что предстояло выяснить. Дарвин мог целыми днями внимательно наблюдать за ростом растений, но следовало учесть, что его животная сенсорика не позволяет делать это точно. Как записывать и осмыслять движения растений, чтобы понять происходящее? Никто ещё не решил эту проблему, и великий натуралист придумал гениальный метод.

Дарвин разработал способ записи движений отдельных частей растения по мере его роста и вращения в пространстве. Поместив растение между листом бумаги и стеклянной пластиной, он отметил на бумаге контрольную точку, прикрепив к определённой части растения, например к листу или почке, тонкую проволоку. Через равные промежутки времени он делал записи, совмещая конец этой металлической нити с фиксированной контрольной точкой, а затем отмечая её положение на стеклянной пластине. Не зная контекста, легко можно принять странные, угловатые рисунки Дарвина за траекторию движения мокрицы, жука, мыши или ещё какого-то маленького животного с весьма ограниченным объёмом внимания. Будто бы это следы существа, которое не имело чёткой цели и бродило по бумаге, хаотично исследуя местность. Но так кажется потому, что это статическая двухмерная визуализация трёхмерных движений.

После многих часов, в течение которых было отмечено несколько точек, Дарвин смог проследить движение растения во времени, последовательно соединив точки на пластине. Таким образом, он сделал это движение видимым для невооружённого глаза. Дарвин мог даже увеличивать масштаб визуализации движения, изменяя расстояние между пластиной и растением. Делая это расстояние больше, он увеличивал угол, под которым точки и его глаз оказывались на одной линии, в результате чего на пластине небольшие перемещения превращались в большие. До появления цейтраферной фотосъёмки и кинематографии это был невероятно творческий способ визуализации растительных движений.

Для невооружённого глаза растения кажутся статичными, но все их части, если не учитывать колебания, движутся по круговым траекториям: от усиков и корней до цветов и листьев. С помощью своего нового метода Дарвин смог точно отслеживать движения сотен растений и их частей, детализируя их круговые перемещения зигзагообразными линиями. Он был пионером в изучении «привычек» растений. Таксономисты зациклились на систематизации видов, а Дарвину удалось осознать то, что изменение растением своего физического положения или формы — самое настоящее поведение, очень похожее на поведение животного. Разница в том, что движения животного более быстрые и, преимущественно, представляют собой локомоции. Растения растут медленно и движутся в основном благодаря росту [11].

На основе своих наблюдений, в том числе с использованием стеклянной пластины, Дарвин написал целую монографию на 118 страниц. В 1865 году он представил её Линнеевскому обществу, опубликовав под названием «О движениях и привычках вьющихся растений» (On the Movements and Habits of Climbing Plants). В тексте монографии Дарвин, связав движение растений со своей теорией эволюции, утверждает, что у растений есть чувствительность к окружающей среде и что они используют эту чувствительность для того, чтобы их рост помогал им успешнее бороться за выживание и размножаться:

«Растения становятся вьющимися, чтобы, как можно предположить, достигать света и подвергать большую поверхность листьев его воздействию, а также воздействию свободного воздуха. Это осуществляется вьющимися растениями с удивительно малыми затратами организованной материи по сравнению с деревьями, которым приходится поддерживать груз тяжёлых ветвей с помощью массивного ствола. Этим, несомненно, и объясняется то, что во всех частях света существует столь много вьющихся растений, составляющих столь много различных отрядов» [12].

Данный метод обмана системы развили у себя многие линии растений — от таких как огурцы, которые обвивают усиками опоры, до таких как клематисы, которые «цепляются» за объекты. Обе эти техники позволяют растениям с тонкими стеблями подниматься к солнцу «автостопом», не делая инвестиций в ствол или жёсткий стебель [13].

Реакция на работу Дарвина оказалась весьма бурной. Бенджамин Данн Уолш (Benjamin Dann Walsh), видный энтомолог Линнеевского общества, написал, к примеру, что «это открытие размашистых круговых движений и обшаривания пространства в поисках поддержки, как обшаривал его слепой циклоп, поражает» [14]. Даже у людей, не занимавшихся наукой, дарвиновское исследование вызвало прилив энтузиазма. Например, капеллан королевы Чарльз Кингсли (Charles Kingsley) отреагировал так: «Ах, если бы я мог заново взяться за изучение природы — теперь, когда благодаря вам она стала для меня живой, а не мёртвым множеством имён» [15]. Натуралисты из разных мест, прочитав монографию, присылали Дарвину дополнительные материалы, что побудило его работать над вторым, расширенным изданием. Это издание он опубликовал в 1875 году.

На достигнутом Дарвин не остановился. С помощью своего сына Фрэнсиса он провёл целую серию новых экспериментов, посвящённых изучению растительных движений. Одно из его ключевых открытий состояло в том, что «в основе всех наиболее важных больших классов движений лежит модификация движения, общего с периода младенчества для всех частей всех растений» [16]. Зарождение взрослых растительных движений — от проявлений чувствительности к свету и другим внешним раздражителям до «сонных» форм поведения, в которых выявлен своеобразный циркадный ритм, — можно наблюдать уже на стадиях прорастания. Издание в 1880 году книги под названием «Сила движения растений» далось Дарвину нелегко. Исследование превратилось в увесистую рукопись, готовить которую к публикации, по признанию автора, было «ужасно скучно» [17]. «Сила движения растений» — предпоследняя из опубликованных Дарвином книг (последняя, опубликованная через год, — «Формирование растительной плесени под действием червей» (The Formation of Vegetable Mould through the Action of Worms), однако издание именно этой, предпоследней книги стало кульминационным пунктом всех ботанических исследований великого натуралиста.

Дарвиновские наблюдения стали основой для нынешнего понимания физиологии и поведения вьющихся растений, да и не только вьющихся, а всех. Даже сегодня идея Дарвина о наличии у любого растения поведения и интеллекта кое-кому кажется экстравагантной. Хотя сейчас в нашем распоряжении есть камеры с интервальной съёмкой и первоклассные документальные фильмы о природе, которые демонстрируют жизнь флоры так же ярко и драматично, как и жизнь фауны, нам трудно избавиться от привычки замечать главным образом животных. Работа Дарвина показала, что господствующее на протяжении многих веков предубеждение, согласно которому «животные движутся, а растения — нет», совершенно ложно и что это лишь следствие особенностей восприятия, которые можно преодолеть [18]. Увы, понимание этого всё ещё не так широко распространено, как хотелось бы.

Почему? Некоторым растениям, таким как мимозы и венерины мухоловки, присущи весьма специфические движения быстрой реакции, которые животная сенсорика игнорировать не может. Однако поведение подавляющего большинства растений, даже выдающее признаки интеллекта, который учёные только начали изучать, остаётся за рамками наблюдений. Что действительно удалось Дарвину — так это подойти к изучению растений по-новому: наблюдая их соответственно их природе, выявлять, какую пользу приносят им их движение и поведение. Это был подход, от которого он никогда не отказывался.

Примечания