Как природа изобрела колесо раньше людей
Люди гордятся колесом как одним из главных изобретений. Но природа крутила настоящие оси и колёса за миллиарды лет до первой телеги — внутри бактерий, на ногах жуков и даже под лапками крошечного существа из навоза.
Тебе говорили, что колесо — гениальное изобретение людей, которого больше нигде в природе нет? Это и правда так — почти. Потому что настоящее вращающееся колесо с осью эволюция собрала задолго до нас. Не из дерева и не из камня, а из белков — и оно крутится прямо сейчас, внутри миллиардов бактерий вокруг тебя.
Почему колесо так трудно вырастить
Сначала разберёмся, почему биологи десятилетиями повторяли: «в природе нет колеса». Дело в одной хитрой проблеме. Настоящее колесо должно свободно вращаться вокруг оси — крутиться бесконечно в одну сторону. А почти всё живое связано в единое целое: кровь, нервы, питательные вещества текут от части к части по сосудам и каналам.
Представь, что у тебя на оси крутится колесо, но к нему тянутся провода питания. Сделай пару оборотов — и провода намотаются на ось и оборвутся. Именно поэтому у животных нет вращающихся колёс-ног: нельзя подвести кровь к детали, которая безостановочно крутится. Эволюция умеет отращивать рычаги, шарниры, мышцы — но свободно вертящаяся ось кажется почти запретной.
Колесо — не самая сложная вещь в мире. Самое сложное — заставить его крутиться, ничего к нему не привязывая.
Мотор внутри бактерии
А теперь сюрприз. У многих бактерий есть длинный хвостик — жгутик, которым они гребут, чтобы плыть. И долгое время думали, что жгутик просто извивается, как хвост головастика. Оказалось — нет. Жгутик крутится. Целиком. Как пропеллер.
А раз что-то крутится — значит, есть мотор и ось. И они там действительно есть. В стенку бактерии встроен крошечный роторный двигатель: неподвижная часть (как корпус мотора) и вращающаяся часть (ротор), насаженная на ось. Этот моторчик может раскручивать жгутик до сотен оборотов в секунду, а некоторые — и до тысяч. И он умеет тормозить и крутить в обратную сторону, чтобы бактерия меняла направление.
Питается этот мотор не бензином и не электричеством из розетки, а потоком заряженных частиц — ионов, которые протискиваются сквозь стенку и толкают ротор, словно вода крутит водяное колесо мельницы. Это настоящее колесо с осью, родившееся за миллиарды лет до того, как первый человек обтесал круглый камень.
Шестерёнки на ногах насекомого
Если бактерия кажется слишком мелкой, чтобы впечатлиться, познакомься с иссусом — крошечной прыгающей цикадкой. Её детёныши умеют отталкиваться задними ногами и улетать с дикой скоростью. Но есть проблема: чтобы прыжок был ровным, обе ноги должны сработать абсолютно одновременно. Опоздай одна нога на ничтожную долю секунды — и насекомое закрутит в сторону.
Решение, которое нашла эволюция, выглядит так, будто его подсмотрели в коробке передач велосипеда. На внутренней стороне задних ног у личинки иссуса есть настоящие зубчатые шестерёнки — с аккуратными зубцами, которые цепляются друг за друга. Когда одна нога начинает движение, шестерёнки сцепляются и заставляют вторую ногу двигаться синхронно, как связанные шестерни в механизме.
- Это единственные известные работающие механические шестерёнки в живой природе.
- Они есть только у личинок: у взрослых иссусов шестерёнки исчезают.
- Зубцы даже сделаны слегка скруглёнными у основания — так инженеры укрепляют настоящие шестерни, чтобы те не ломались.
Получается, идею зубчатой передачи природа испытала на жуке-малыше задолго до первых часовщиков и автомехаников.
Те, кто решил просто катиться
Ладно, скажешь ты, мотор и шестерёнки — здорово, но где же зверь, который катится по земле, как колесо? Такие тоже есть — правда, они идут на хитрость. Они не отращивают ось, а сворачиваются в шар и катятся целиком.
В пустынях Марокко живёт паук-колесо: спасаясь от опасности, он поджимает лапки, превращается в живой мячик и скатывается с дюны, делая десятки оборотов в секунду — куда быстрее, чем смог бы убежать на лапах. Так же поступает гусеница одного вида моли: в минуту опасности она резко сворачивается и укатывается прочь, словно отпружинившая пружинка. А ещё некоторые жуки-катальщики лепят из навоза идеальный шар и катят его по прямой, ориентируясь даже по звёздам.
Все эти существа честно используют физику колеса — качение, при котором почти не теряется энергия на трении, — но обходят запрет на свободную ось. Им не нужно крутить деталь отдельно от тела: они крутятся сами, целиком. Это как если бы ты вместо самоката просто сгруппировался и скатился с горки кубарем — медленнее по технике, зато без всяких подшипников.
Кто же был первым изобретателем
Сложи всё вместе — и картина получается обидная для человеческого самолюбия. Роторный мотор с осью крутился в бактериях ещё на заре жизни. Зубчатую передачу природа собрала на ногах насекомого. Качение освоили пауки, гусеницы и жуки. А люди добрались до телеги всего несколько тысяч лет назад.
Это вовсе не значит, что наше колесо — пустяк. Наоборот: природа почти не пользуется вращающимися колёсами именно потому, что их безумно трудно вырастить из живой ткани с её сосудами и нервами. Мы смогли сделать то, что эволюции даётся с огромным скрипом, — построить колесо снаружи тела, из мёртвого материала, к которому не нужно подводить кровь.
Так что в следующий раз, когда увидишь крутящееся колесо — велосипеда, машины, мельницы, — вспомни: где-то рядом, в капле воды, миллиарды бактерий уже крутят свои моторчики. Они изобрели эту идею первыми. А мы просто оказались достаточно умными, чтобы повторить трюк там, где живая природа спасовала.