Ученый-любитель

Когда я был маленьким, у меня была «лаборатория». Лаборатория не в том смысле, что там я что-то измерял или проводил важные эксперименты. Я там играл: делал двигатель, делал приспособление, которое выстреливало, когда что-то проходило через фотоэлемент. Я игрался с селеном и постоянно баловался. Иногда я занимался расчетами для лампового блока, серии выключателей и лампочек, которые я использовал в качестве резисторов для контроля напряжения. Но все это было так, для развлечения. Я никогда не проводил никаких лабораторных опытов.

Кроме того, у меня был микроскоп, и я обожал под ним рассматривать всевозможные штуковины. Для этого требовалось терпение: я устанавливал что-нибудь под микроскоп и мог бесконечно на это смотреть. Я видел огромное множество интересных вещей, которые видит любой: кремниевую водоросль, медленно ползущую по предметному стеклу, и т.п.

Однажды я наблюдал за парамецием и увидел что-то, что не было описано в книгах, по которым мы учились в школе, более того, в учебниках для колледжа этого тоже не было. Все эти книги всегда упрощают все, чтобы мир был более похож на то, как описывают его они. Говоря о поведении животных, они всегда начинают так: «Парамеций чрезвычайно прост; он ведет себя простейшим образом. Во время движения его туфлеобразной формы в воде он поворачивается, пока не ударится обо что-то, тогда он отскакивает, поворачивается на какой-то угол и снова начинает двигаться».

На самом деле все это совсем не так. Во-первых, как всем известно, парамеции, время от времени, спариваются друг с другом: они встречаются и обмениваются ядрами. Как они определяют, когда настало время это сделать? (Забудьте; это не мое наблюдение).

Я наблюдал, как эти парамеции ударяются о что-нибудь, отскакивают, поворачиваются на какой-то угол и снова начинают движение. В учебниках это поведение описано как чисто механическое, подобное компьютерной программе – но выглядит оно совсем не так. Они движутся на различные расстояния, отскакивают на различные расстояния, поворачиваются на разные углы, не всегда поворачиваются направо – они ведут себя очень нестандартно. Их движение кажется весьма беспорядочным, так как неизвестно, обо что они ударяются; неизвестно, запах каких химических веществ они чувствуют, и все такое.

Мне очень хотелось понаблюдать, что происходит с парамецием, когда вода, в которой он находится, высыхает. В учебнике было написано, что парамеций высыхает и превращается в нечто вроде маленького твердого зернышка. Я поместил на предметное стекло микроскопа каплю воды, в которой был парамеций и несколько «травинок» – в масштабе парамеция эти травинки напоминали сеть из соломы. По мере того, как вода испарялась, в течение пятнадцати или двадцати минут, парамеций оказывался во все более затруднительном положении, он все больше и больше двигался вперед-назад, пока это не стало совсем трудно. Он оставался между этих «соломинок», он почти застрял там.

А потом я увидел нечто, чего никогда не видел и о чем никогда не слышал: парамеций утратил свою форму. Он мог изгибаться как амеба. Он начал давить на одну из палок и раздваиваться до тех пор, пока раздвоение не дошло до середины его тела, потом он решил, что это не слишком удачная мысль, и вернулся в исходное состояние.

Так что, наблюдая за этими животными, я получил впечатление, что в учебниках их поведение представляют слишком упрощенно. Оно далеко не так механистично или одномерно, как там написано. Поведение этих простых животных следовало бы описывать правильно. Пока мы не увидим истинный масштаб поведения одноклеточного животного, мы не сможем до конца понять поведение более сложных животных.

Также мне нравилось наблюдать за жучками. Когда мне было лет тринадцать, у меня была книжка про насекомых. Там было написано, что стрекозы не опасны; они не жалят. Однако в нашем районе все хорошо знали, что «швейные иглы», как мы их называли, очень опасны, потому что больно жалят. Так что, если мы где-то играли в бейсбол или во что-то еще и мимо пролетала стрекоза, все бежали в укрытие, махая руками и вопя: «Швейная игла! Швейная игла!»

Однажды я был на пляже, и я совсем недавно прочитал эту книгу, в которой было написано, что стрекозы не жалят. Тут появилась «швейная игла», все завопили, начали носиться по пляжу, а я просто сидел на месте. «Не беспокойтесь! – сказал я. – „Швейные иглы“ не жалят!»

Эта штука села на мою ногу. Все орали, суетились, потому что у меня на ноге сидела «швейная игла». А я, эдакое научное чудо, сидел и утверждал, что она меня не ужалит.

Вы уверены, что сейчас я расскажу о том, что она все-таки меня ужалила, но этого не произошло. Книга была права. Но я немножко вспотел.

Кроме того, у меня был маленький ручной микроскоп. Это был игрушечный микроскоп, из которого я вытащил увеличительную часть и держал ее в руке как лупу, хотя этот микроскоп мог увеличивать в сорок или пятьдесят раз. Если очень постараться, то фокус можно было удержать. Так что я мог гулять на улице и рассматривать разные штуки прямо на месте.

Когда я учился в Принстонском выпускном колледже, однажды я достал свою лупу из кармана, чтобы рассмотреть муравьев, которые ползали по плющу. Я так удивился, что даже вскрикнул. Я увидел муравья и тлю, о которой заботятся муравьи: они переносят ее с растения на растение, если растение, на котором они находятся, умирает. Взамен муравьи получают частично переваренный сок тли, который называется «медвяной росой». Я об этом знал, потому что мне рассказывал отец, но сам я никогда раньше это не видел.

Итак, на листе сидела тля, мимо пробегал муравей, он подбежал к ней и начал пошлепывать ее лапками – всю тлю, шлеп, шлеп, шлеп, шлеп. Зрелище было потрясающее! Потом на спинке тли начал выделяться сок. И поскольку я смотрел через лупу, я видел огромный, красивый, блестящий мяч, который из-за поверхностного натяжения походил на воздушный шар. Так как микроскоп был не слишком хорошим, капля была слегка окрашена из-за хроматической аберрации в линзе – великолепное зрелище!

Муравей взял этот мяч передними лапками, поднял его с тли и держал его. Мир становится совсем другим, когда на него смотришь в таком масштабе, где можно поднять каплю воды и удержать ее! Возможно, на лапках муравьев есть какая-то смазка, которая не разрушает поверхностное натяжение воды, когда они поднимают каплю. Потом муравей надкусил поверхность капли, и под давлением поверхностного натяжения капля попала прямо в его живот. Было безумно интересно наблюдать, как это происходит.

В моей комнате в Принстоне был эркер с U-образным подоконником. Однажды на подоконнике появились муравьи. Мне стало любопытно узнать, как они находят разные вещи. Мне было интересно, откуда они узнают, куда нужно идти? Могут ли они сказать друг другу, где находится пища, как это делают пчелы? Обладают ли они чувством геометрии?

Все это я проделывал как любитель; ответ известен всем, но мне он был неизвестен, поэтому прежде всего я натянул какую-то веревочку через U-образный подоконник эркера и подвесил на нее кусочек согнутого картона, на котором был сахар. Идея заключалась в том, чтобы изолировать сахар от муравьев с тем, чтобы они не нашли его случайно. Я хотел все взять под контроль.

Затем я нарезал несколько маленьких полосок бумаги и согнул их так, чтобы можно было подбирать муравьев и переправлять их с места на место. Я поместил сложенные полоски бумаги в двух местах: некоторые рядом с сахаром (я подвесил их на веревочку), а другие неподалеку от муравьев, в определенном месте. Я весь день просидел там, читая книгу и наблюдая за муравьями, пока один муравей не забрел случайно на одну из моих бумажек. Тогда я перенес его к сахару. После того, как я перенес к сахару нескольких муравьев, один из них случайно попал на одну из соседних бумажных полосок, и я перенес его обратно.

Мне хотелось посмотреть, сколько времени понадобится остальным муравьям, чтобы получить сообщение о том, что нужно идти на «место положения этих бумажных полосок». Началось это медленно, но потом так быстро ускорилось, что я носился как сумасшедший, переправляя муравьев туда-сюда.

Но внезапно, когда все происходило на самом пике, я начал переправлять муравьев от сахара в другое место. Вопрос был следующий: научится ли муравей возвращаться туда, откуда он только что пришел, или он пойдет туда, куда он шел до этого?

Через некоторое время почти никто из муравьев не шел на первое место (которое привело бы их к сахару), тогда как на втором месте было множество муравьев, которые кружили поблизости, пытаясь найти сахар. Отсюда я сделал вывод, что они идут туда, откуда только что пришли.

В другом эксперименте я разложил на подоконнике множество предметных стекол от микроскопов, чтобы муравьи по ним шли к сахару, который тоже лежал на подоконнике. Затем, заменяя какое-нибудь старое стекло новым или просто переставляя стекла, я мог продемонстрировать, что у муравьев чувство геометрии отсутствует: они не могут определить, где что-либо находится. Если они шли к сахару одним путем, а обратно они могли прийти более коротким путем, они не могли вычислить этот более короткий путь.

Из переставления стеклышек также было ясно, что муравьи оставляют своего рода следы. Затем последовал ряд простых экспериментов, чтобы определить, насколько быстро высыхает след, легко ли он стирается и т.п. Также я узнал, что у следа нет направления. Если я поднимал муравья на кусочке бумаги, поворачивал его несколько раз, а затем отпускал обратно на след, он не знал, что идет в обратном направлении, пока не натыкался на другого муравья. (Позднее, в Бразилии, я увидел муравьев-листоедов и испробовал тот же эксперимент на них. Они после нескольких шагов могли определить, движутся ли к пище или от нее. Видимо, они определяли направление по следу, который мог представлять собой некоторую последовательность запахов по принципу: A, B, промежуток, A, B, промежуток и т.д.)

Однажды я попытался заставить муравьев ходить по кругу, но у меня на это не хватило терпения. Другой причины, почему это нельзя сделать, кроме нехватки терпения, я не вижу.

Эксперименты осложняла одна вещь: когда муравьи чувствуют дыхание, они начинают суетиться. Возможно, они делают это под влиянием инстинкта, боясь какого-нибудь животного, которое беспокоит их или может съесть. Я не знаю, что их волновало: тепло, влага или запах моего дыхания, но мне всегда приходилось сдерживать дыхание и отводить глаза в сторону, когда я переправлял муравьев с места на место.

Меня очень интересовал один вопрос: почему следы муравьев ложатся очень хорошо и прямо. Казалось, что муравьи знают, что они делают и обладают отличным чувством геометрии. Однако мои эксперименты показали, что это не так.

Много лет спустя, когда я работал в Калтехе и жил в небольшом домике на Аламеда-Стрит, у меня однажды появились и стали ползать по ванне несколько муравьев. Я подумал: «Это же потрясающая возможность». Я положил сахар на противоположный конец ванны и просидел там весь день, пока один муравей, наконец, не нашел этот сахар. Все это лишь вопрос терпения.

Как только муравей нашел сахар, я взял заранее приготовленный цветной карандаш (я уже провел несколько экспериментов, которые показали, что муравьи не обращают никакого внимания на карандашные отметки – они ходят прямо по ним, – поэтому я знал, что ничего не испорчу) и провел линию вслед за муравьем, обозначая его след. Возвращаясь к отверстию, муравей шел немного не так, как обычно, поэтому линия вихляла и была не похожа на обычный муравьиный след.

Когда следующий муравей, который нашел сахар, стал возвращаться, я отметил его путь другим цветом. (Кстати, он скорее шел по тому следу, который оставил другой муравей, возвращаясь назад, чем по своему собственному, который он оставил, когда шел сюда. Я считаю, что, найдя какую-то пищу, муравей оставляет более сильный след, чем когда он просто бродит вокруг.)

Этот второй муравей очень торопился и довольно точно следовал первому следу. Но из-за своей спешки он часто срезал путь, словно скатывался с горки, когда путь вихлял. Часто, «скатившись», муравей снова находил проложенный путь. Обратный путь второго муравья был явно немного более ровным, чем первого. Следующие муравьи «выправили» этот след, поспешно и неаккуратно «следуя» ему.

Я с помощью карандаша проследил след восьми или десяти муравьев, пока он не превратился в аккуратную линию вдоль ванны. Это похоже на набросок: сначала рисуешь неаккуратную линию, потом несколько раз проходишься по ней, и через некоторое время она становится красивой.

Помню, когда я был ребенком, отец рассказывал мне о том, насколько замечательные существа – муравьи и как они сотрудничают. Я очень внимательно наблюдал, как три или четыре муравья несут в муравейник небольшой кусочек шоколада. На первый взгляд, этот процесс выглядит как эффективное, великолепное и блестящее сотрудничество. Но если присмотреться повнимательнее, то увидишь, что ничего этого на самом деле нет: они все ведут себя так, словно шоколад поддерживает кто-то другой. Они тянут его то в одну сторону, то в другую. Один из муравьев может залезть на этот шоколад, пока его несут другие. Он покачивается, виляет, все направления перепутаны. Так что шоколад попадает в муравейник далеко не по прямой, хорошо отлаженной траектории.

Бразильские муравьи-листоеды, столь замечательные во всех остальных отношениях, выказывают весьма любопытную тупость, которая, к моему удивлению, не отмерла в процессе эволюции. Муравью нужно немало потрудиться, чтобы прогрызть в листе круговую дугу с целью отделить часть листа. Когда этот процесс заканчивается, существует пятидесятипроцентная вероятность того, что муравей схватит не ту часть листа, которую он отгрыз, а противоположную, тогда как нужная упадет на землю. Какое-то время муравей будет дергать и тянуть, дергать и тянуть не ту часть листа, которую он отгрыз, а потом сдастся и начнет отъедать другой кусок листа. Он не делает никакой попытки подобрать ту часть листа, которую отгрыз он или другой муравей. Так что если смотреть внимательно, то видишь, что с делом отгрызания листьев и аккуратного их унесения муравьи справляются далеко не блестяще: они подходят к листу, прогрызают дугу, и долго-долго тянут противоположную сторону листа, а отгрызенная часть падает на землю.

В Принстоне муравьи обнаружили мою кладовку, где я хранил варенье, хлеб и т.п. и которая располагалась на приличном расстоянии от окна. Длинная колонна муравьев маршировала по полу через всю комнату. Это произошло как раз тогда, когда я проводил над муравьями свои эксперименты, и я подумал: «Что можно сделать, чтобы не допустить их в свою кладовку, не убивая их? Никакого яда; к муравьям нужно относиться гуманно!»

Я сделал следующее. Вначале я положил кусочек сахара в шести или восьми дюймах от их входа в комнату, о котором они не знали. Затем я снова изготовил переносные полоски бумаги, и всякий раз, когда муравей, возвращаясь с пищей, забредал на эту полоску, я брал ее и переправлял муравья на сахар. Туда же я переправлял каждого муравья, который направлялся к кладовке и попадал на такую полоску. В конце концов, муравьи нашли дорогу от сахара к тому отверстию, через которое они попадали в комнату, так что новый след все усиливался и усиливался, в то время как старый использовался все реже и реже. Я знал, что примерно через полчаса старый след высохнет, и через час в моей кладовке не было ни одного муравья. Я не мыл пол; я не делал ничего, я просто переправлял муравьев.

«Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!», Ричард Филлипс Фейнман (перевод: Наталья А. Зубченко, О. Л. Тиходеева, М. Шифман), 2001г.