Как же не сказать здесь, что, пытаясь мысленно заглянуть в будущее, ученый, прокладывавший в своих инженерных расчетах путь межпланетных кораблей, предвидел, что, даже отрывая ракеты от Земли и отправляя их в космос, человек не удовлетворится, не остановится, будет дальше совершенствовать летательные аппараты, будет искать не только новые пути ко все более высоким целям, но и новые, более простые средства полета.
Размышляя об этих средствах, К. Э. Циолковский обращал свой взор прежде всего к природным летательным аппаратам, к "насекомым, летающим посредством одной пары крыльев", и приходил к выводу, что "если аэропланы когда-нибудь заменятся орнитоптерами, то разумное устройство их потребует от нас еще более тщательного изучения полета птиц и насекомых".
Первым разобравшись в том, почему крылья продолговаты, и начисто разбив доводы ученых, считавших, что "гусь в полете должен расходовать лошадиную энергию", создатель науки о ракетоплавании заметил, что рождение ракет для космических полетов нисколько не помешает появлению орнитоптеров - птицелетов и энтомоптеров - насекомопланов.
Отец русской авиации Николай Егорович Жуковский в своих работах развил мысли об устройстве летательного аппарата птиц и насекомых и способах их полета, объяснил планирование птицы и всякого аппарата тяжелее воздуха.
В последние годы крылья живых существ внимательно изучаются во всем мире. Подвинулось и исследование полета насекомых. Оказалось, здесь жилки крыльев имеют значение: от того, как они размещены, зависит механика крыла.
Но тогда пришлось спросить: почему, каким образом?
Естествоиспытатель, который ставит перед собой подобные вопросы, совершает первый шаг к открытию. Пришло время, и такие шаги были сделаны первоначально инженером В. А. Слесаревым, затем биологом Ю. М. Залесским и рядом других исследователей, посвятивших себя разгадке тайны летящего насекомого. Испытывая природу и учась у нее, стали они закладывать камни в основание новых мостов, ведущих в будущее.
Друзья знаменитого художника Архипа Ивановича Куинджи в своих воспоминаниях, относящихся к концу прошлого века, приводят историю бабочки, которая случайно залетела в мастерскую живописца и осенним утром примерзла к стеклу. Пробуя освободиться, она так сильно обтрепала крыло, что не могла больше летать. А. И. Куинджи принялся спасать насекомое. Из собственных волос смастерил он каркас крыла, а между волосами вклеил вырезанные из тонкой бумаги заплатки, которые мастерски раскрасил, скопировав рисунок с другого крыла.
И вот бабочка вновь полетела, и художник был очень рад этому: он не ставил перед собой иной задачи - он хотел только вернуть бабочке возможность летать…
Прошло примерно полвека, и другой русский художник - Владимир Евграфович Татлин, известный не только картинами, но и нашумевшим когда-то проектом грандиозной башни Интернационала, выставил на всеобщее обозрение модель летательного прибора - конструкцию под названием "Летатлин". Свыше десяти лет работал художник над построенным без единого расчета и собранным из ясеня, лозы, пробки, липы, сыромятных ремней, китового уса, шелка, дюраля 36-килограммовым орнитоптером.
Художники подражали природе. Ученые исследуют ее в разных планах, ищут ее законы. При этом они на каждом шагу обнаруживают, что птицы и насекомые чрезвычайно искусные летуны, а летательные аппараты их много экономичнее тех, которые построены человеком. Насекомые, например, не меняя положения тела, с помощью одних крыльев с необычайной легкостью совершают в воздухе такие эволюции, которые недоступны для самых лучших самолетов. Иная крохотная мушка, без лупы ее и не рассмотреть, за всю жизнь выпьет, может быть, только несколько капель нектара, а как летает!
Что дает ей эту возможность?
Уже знакомый нам Ю. М. Залесский искал ответ на вопрос, выясняя роль, которую играют в полете отдельные участки крыла.
Он педантично изучал множество различных и по-разному летающих насекомых - мух, комаров, сетчатокрылых, кобылок, кузнечиков, различных жуков. Хирургическими ножницами отрезал он отдельные части крыльев, а затем предоставлял оперированным насекомым свободу и следил, как они летят, что изменилось в полете.
У стрекоз разных видов на всех четырех крыльях аккуратно удалялась птеростигма - так исследователи насекомых называют глазок, темное хитинистое утолщение у переднего края вершины крыла.
Глазок-птеростигма есть и на крыльях некоторых муравьев (о том, что это за крылатые муравьи, речь пойдет дальше), но ее значение здесь пока специально не исследовалось. Что касается стрекозы, этот вопрос изучен Ю. М. Залесским. После удаления птеростигмы насекомое менее равномерно взмахивает крыльями, полет его становится как бы порхающим.
Птеростигма регулирует взмахи крыла и имеет механическое значение.
Когда об этом узнал крупнейший наш специалист в области аэродинамики М. К. Тихонравов, он сразу вспомнил о флаттере.
Пора сказать, что так названы те вредные колебания крыла, которые иногда могут даже разрушить крылья летательных аппаратов.
Известный летчик-испытатель Марк Галлай, вспоминая о первой своей встрече с этим неожиданно и неизвестно откуда возникающим, но вполне реальным воздушным чудовищем, писал:
"…Вдруг будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолету. Все затряслось так, ~что приборы на доске передо мной стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпел на ветру. Меня самого швыряло по кабине из стороны в сторону - долго после этого не проходили на плечах набитые о борта синяки. Штурвал, будто превратившийся в какое-то совершенно самостоятельное живое и притом обладающее предельно строптивым характером существо, вырвался у меня из рук и метался по кабине так, что все попытки поймать его ни к чему, кроме увесистых ударов по кистям и пальцам, не приводили. Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклепок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!"
Немало замечательных конструкций разрушено этим бичом скоростных полетов, немало пилотов-испытателей погибло, не в силах совладать с ним и разбившись вместе с поднятой в воздух конструкцией.
Теперь все это в прошлом. Выдающийся советский математик, ныне президент Академии наук СССР, академик М. В. Келдыш разработал специальную теорию возникновения внезапных колебаний крыла и оперения самолета под действием аэродинамических сил. На основе этой теории были найдены способы устранения флаттера. Коварное препятствие на пути создания новых самолетов удалось устранить, утяжеляя у конца крыльев переднюю кромку. Там, где имеется такое утяжеление, вредные колебания не возникают.
Но ведь птеростигма - это и есть утолщение передней кромки конца крыльев!
Получается, что биологи, исследуя полет насекомых, обнаружили на крыльях стрекозы в птеростигме прообраз того самого приспособления, которым авиационные конструкторы после долгих и дорогостоящих поисков оснастили крылья скоростных самолетов. И прообраз этого усовершенствования, оказалось, существует на крыльях многих насекомых миллионы лет.
Предки современных стрекоз, известные по отпечаткам из отложений пермского периода, также имели на своих крыльях птеростигмы.
Именно в связи с раскрытием назначения птеростигмы на крыльях стрекозы М. К. Тихонравов писал, что "природа иногда указывает, как самые сложные задачи решаются с поразительной простотой".
Разве эта история не достойна стать сюжетом новой басни, мораль которой говорила бы человеку: "Учись у природы, набирайся у нее ума, чтобы делать все лучше, чем сама природа"?
Таких сюжетов для поучительных басен теперь накопилось немало.
Опыт с увеличенными в десять - пятнадцать раз по сравнению с естественными и изготовленными из бумаги и целлофана моделями машущих крыльев насекомых, испытания в жидкой среде помогли разобраться, что может создавать у них силу тяги и подъемную силу.
Произведенная Ю. М. Залесским сверхскоростная киносъемка показала, что крыло бабочек, например, совершает в полете не простое машущее движение, но еще волнообразно изгибается при этом.
Другие насекомые летают иначе. Крылья двукрылых (мух, комаров) или перепончатокрылых (пчел, ос, муравьев) в полете все время меняют угол атаки и заносятся то вперед, то назад, так что вершина крыла непрерывно описывает восьмеркообразную кривую.
Когда группа советских инженеров пристроила к лопастям ветряного двигателя дополнительные подвижные крыловидные лопасти, которые также производили восьмеркообразные движения, то ветряк заметно выиграл в мощности и стал исправно и производительно работать даже при самом слабом ветре.
Изучение крыла и летных способностей насекомых открывает бесконечное разнообразие оригинальных устройств для стоячего полета, парения, планирования, подъема, приземления.
В мире насекомых обнаружено в то же время множество удивительно точно решенных задач не только из области аэродинамики, но и из многих других областей прикладной физики.
Те, кто занимается оптикой, находят у насекомых неожиданные приспособления для различения частей спектра, разных состояний света, цвета, яркости, формы, позиций, расстояний…
Звучащие и воспринимающие звук устройства насекомых давно привлекают внимание конструкторов, работающих над совершенствованием разных средств беспроволочной воздушной и подводной связи…
Стилеты жалоносных, буравы древоточцев, особенно яйцеклады рогохвостов - все эти гибкие и тонкие самозаглубляющиеся иглы, которыми многие наездники с загадочной быстротой пронзают древесину, давно привлекают внимание бурильщиков.
Точно так же и химический состав и физические свойства паутины пауков и шелковой нити завивающихся в кокон личинок сотен видов насекомых ждут анализа, обещающего сказать много интересного и поучительного текстильщикам, специалистам по органической химии, изобретателям новых пластмасс.
Особого внимания заслуживают антенны - усики насекомых.
Обонятельная чувствительность этих органов превосходит всякое воображение.
Знаменитый исследователь насекомых Фабр показал, что самцы грушевой сатурнии могут находить самок за несколько километров. В опытах, проводившихся уже после Фабра, самцы безошибочно отличали ящички, в которых год назад содержались самки. А ведь стоит отрезать у бабочки обе антенны, как она совершенно теряет способность ориентироваться по запаху.
Пеленги, определяемые с помощью усиков, могут быть, видимо, не только ароматными, звуковыми - или ультразвуковыми.
Многие насекомые, даже если их ослепить, безошибочно находят воду: усики действуют в этом случае как влагоискатель. Паразитическое насекомое - наездник Эфиальтес - с помощью своих антенн отыскивает на коре дерева место, под которым в толще древесины, на глубине нескольких сантиметров, находится личинка нужного ему вида усачей или рогохвостов. Почуяв личинку, наездник сгибает антенны почти пополам и прикладывает их к коре, находит точку сверления и пронзает яйцекладом древесину, без промаха поражая спрятанную в глубине личинку.
Не менее удивительными свойствами обладают антенны муравьев. Присмотримся хотя бы к двум встретившимся муравьям. Какое-то время они стоят, поглаживая друг друга антеннами, и вдруг убегают в одном направлении. Как позвал муравей муравья? Почему пошел второй за первым? В чем состоял сигнал, переданный и воспринятый насекомыми, которые скрестили усики? Не могут ли быть разработаны, если получить ответ на эти вопросы, какие-то средства, зовущие и ведущие насекомых, и не могут ли быть созданы на сходной основе какие-то новые технические устройства, передающие и принимающие сигналы-информацию?
Вспоминая историю птеростигмы, стоило бы присмотреться и к тому, как движутся в колонне переселяющиеся муравьи. Они бегут, почти сплошной массой разлившись по земле, и бегут не в беспорядке, а сохраняя довольно отчетливый строй, бегут, поводя усиками, касаясь ими то соседей справа и слева, то иногда того, кто впереди.
Это обычные муравьи, знакомые и примелькавшиеся. И все же описанная здесь встреча дает повод еще раз спросить: почему? Почему движутся они единой массой? Какие силы собрали, сплотили и ведут их? Какую роль играют здесь прикосновения антенн, которыми обмениваются бегущие?
Давно ищет человек ответы на такие вопросы, но наука, исследующая живую природу, вопреки общепринятому мнению, еще совсем молода и многое лишь начинает.
Присмотримся же к тому, что открыла эта молодая наука в мире муравьев, которых мы пока еще только мельком видели в ящиках шкафов № 84 и № 85 в доме у Дворцового моста.
ГЕРОЙ ЭТОЙ ПОВЕСТИ
НАЧНЕМ знакомиться с героем этой повести по опытам, проведенным в Китае, в Пекинском университете, профессором Чи За-ченом, который взялся выявить, все ли одинаковые на вид муравьи действительно одинаковы и отличается ли чем-нибудь муравей, когда он в одиночестве, от самого себя, когда он вдвоем с другим таким же или в группе с такими же, как сам.
Подобная мысль может поначалу показаться если не сумасбродной, то странной, но вот что получилось в опытах.
На дно одинаковых семидесяти бутылей насыпали одинаковое количество одинаково сырого песка. После этого в каждую бутыль поместили по одному рабочему муравью, взятому из гнезда.
Муравьи повели себя по-разному. Одни без промедления принялись рыть песок, другие не торопились. Через четыре часа песок рыли еще только сорок семь муравьев; и лишь к концу третьих суток все семьдесят копались в песке. И действовали они при этом неодинаково.
Большинство рыло песок на освещенной стороне, вблизи от стеклянной стенки, некоторые же выбрали теневые места. Многие рыли в одной точке. Однако были и такие, что, бросив начатое, принимались за работу в другом, а то и в третьем месте. Одни трудились систематически и непрерывно, другие - весьма беспорядочно.
Все говорило о том, что мурашка мурашке рознь, что у каждой свой - как иначе сказать? - характер.
Закончив описанный опыт, профессор Чи За-чен приступил ко второму. Он поселил тридцать шесть пронумерованных муравьев в тридцать шесть одинаковых стеклянных гнезд. Наблюдатели по секундомерам учитывали, через какое время насекомые приступают к рытью. Впоследствии песчинки, выброшенные муравьями на поверхность, взвешивались. И что же?
Оказалось, что все муравьи, пока их содержали по одному, выбрасывали за шесть часов на поверхность, в общем, две десятых грамма песка, а когда их поселяли по два, по три вместе, они за такое же время успевали выбросить каждый в сотни раз больше песчинок. В "компании" все начинали рыть песок в бутылях в среднем уже через тридцать минут, тогда как в одиночку они принимались за дело часа через три. В группе почти все работали без отдыха и споро, а врозь - нередко с перебоями и чрезвычайно вяло.
Пекинские опыты поразили ученый мир. Совершенно невероятными выглядели полученные профессором Чи За-ченом показания хронометра и итоги подсчета песчинок в бутылях: муравей в присутствии другого такого же проявлял свойства и способности, которыми не обладал в одиночестве.
Здесь было над чем задуматься.
Но хотя опыт казался не очень сложным, требовалось неисчерпаемое терпение, чтобы провести его. Французские энтомологи академик Пьер Грассе и профессор Реми Шовен повторили открытие своего пекинского коллеги и даже продвинулись далее, идя более простым путем. Они показали, что если муравьев любого вида рассадить по одному и группами по нескольку штук в клеточки, то - независимо от того, кормить ли насекомых или не кормить, поить их или не давать им ни капли воды, - те, которые содержатся по одному, погибают во много раз скорее, чем их собратья в группах. Муравей в щепотке таких же муравьев обладает новыми свойствами: он способен жить вдвое и втрое дольше.
То же самое наблюдается и в опытах с осами, пчелами и термитами.
Так был открыл "эффект группы", так объяснили ученые подлинный смысл старинной польской поговорки о том, что мурашка мурашке рада.
Но одна мурашка - это лишь живая крупица муравьиной семьи, которая в самом простом случае состоит из какого-то числа внешне одинаковых рабочих муравьев разного возраста, так или иначе собранных вокруг одной или нескольких самок. Рабочие муравьи, как и самки, - женского пола, но в обычных условиях не производят никакого потомства, а только кормят его. Те, что постарше, строят новые отсеки гнезда, собирают пропитание или кормовое сырье и сносят его в муравейник. Те, что помоложе, выкармливают вылупившихся из яиц личинок, кормят взрослых самок, откладывающих яйца, молодых самок и самцов. Все, когда надо, обороняют гнездо.
Только что сказано, что у сравнительно простых видов рабочие муравьи внешне одинаковы. У более развитых видов они часто отличаются друг от друга по величине, но не потому, что маленькие муравьи - это муравьи молодые, а большие - это выросшие, взрослые. Муравей, как и множество других насекомых, выйдя из состояния куколки, не растет - маленький муравей остается таким до старости, а большой большим и появляется на свет. У наиболее же развитых муравьев рабочие различаются и по размеру и по строению.
Когда муравьев много и когда они различны, тогда свойства, обнаруживаемые ими в массе, становятся еще разнообразнее, так что по различиям рабочих муравьев можно без большой ошибки судить о сложности и совершенстве устройства всей муравьиной семьи.
ПОЧЕМУ ОНИ НЕ ЗНАЮТ ПОКОЯ
ДВА БОЛЬШИХ, примерно полтора на полтора метра, листа стекла на расстоянии нескольких миллиметров один от другого заделаны с краев в узкие рейки, а понизу врезаны в дощечку, которая окружена канавкой. Канавка эта совсем не широка, но доверху наполнена водой. В открытое узкое - меньше сантиметра - пространство между стеклами засыпана сверху труха, собранная с муравьиной кучи, и выпущено сколько-то муравьев, частью пойманных на поверхности, частью взятых из глубины того же муравейника. Муравьи, для которых вода в канавке оказывается непреодолимым препятствием, не могут отсюда расползтись. Они поневоле приживаются в предоставленном им плоском гнезде. Надо только исправно подливать воду в канавку.
И разумеется, необходимо снабжать муравьев кормом. Для этого достаточно устроить выход, ведущий из гнезда, скажем, к двугорлой скляночке, в которую время от времени кладется что-либо съедобное. При описанных условиях муравьи, по-видимому, чувствуют себя в гнезде отлично. Круглые сутки переносят они сверху вниз и снизу вверх, а то и просто с места на место перекладывают всевозможные строительные материалы: песчинки и комочки земли, хвоинки и волокна древесины, пластинки коры и обломки травинок, какие-то еле видные крупицы и прочую труху.
Гнездо беспрерывно перестраивается внутри. Одни камеры забиваются мусором и исчезают, другие возникают в тех участках, где вчера и намека не было на просвет. Одни переходы забрасываются, другие пробиваются наново. Где недавно было полно, через некоторое время обнаруживаются пустоты; где было пусто, появляется разный хлам.
С рассвета и дотемна можно наблюдать, как муравьи с деловым видом шныряют в узком пространстве между листами стекла, как поднимаются вверх, опускаются вниз, копошатся, бегут с грузом или налегке, кормят друг друга, ощупывают один другого антеннами и снова разбегаются. Как разобраться в этой суматохе?