Восхождение на гору Невероятности

На рис. 5.2 изображен типичный, в данном случае человеческий, фоторецептор, но другие устроены почти так же. Клубок червячков в центре рисунка – это митохондрии, внутриклеточные органеллы. Они произошли от бактерий-паразитов, но стали незаменимыми элементами клетки, без которых не вырабатывается энергия. За левое поле рисунка уходит нервное окончание. Ровный, красивый ряд мембран в правой части, выстроившихся, словно на параде, и есть та самая часть рецептора, куда попадают фотоны. В эти слои встроены молекулы жизненно важного пигмента, поглощающего фотоны. На этом рисунке я насчитал 91 мембранный слой. Неважно, сколько именно слоев – когда речь идет об улавливании фотонов, лишним ни один не будет, хотя их количество лимитируется общими затратами организма. Идея в том, что 91 мембрана эффективнее ловит фотоны, чем 90, 90 эффективнее 89 и так далее вплоть до одиночной мембраны, чей КПД все‐таки выше нулевого. Вот что я имею в виду, когда говорю о плавном подъеме на гору Невероятности. Резкий перепад высоты встретился бы нам в том случае, если бы существовало некое пороговое значение – скажем, до сорока пяти слоев мембраны работали бы вообще не эффективно, а после сорока пяти очень эффективно. Здравый смысл выступает против таких непредвиденных скачков, да и нет фактов, свидетельствующих о том, что они могли бы быть.

Рис. 5.2. Фоторецептор, единичная клетка сетчатки человека, – биологический “фотоэлемент” для улавливания фотонов.

Как мы уже видели, у головоногих моллюсков независимо от позвоночных развились похожие глаза. Даже фоторецепторы у них почти такие же. Разница лишь в том, что у кальмаров мембрана состоит не из дисков, а из столбика колец на полой трубке. В эволюции полно таких несущественных отличий, в которых не больше логики, чем, скажем, в устройстве выключателя: в Англии при опущенном тумблере свет зажигается, а в Америке – выключается. У всех животных хорошо развитые фоторецепторы пытаются любым способом обзавестись дополнительными мембранами с пигментом – и пусть фотон попробует через них проскочить. В рамках концепции горы Невероятности важно, что каждый новый слой – сколько бы их уже ни было – хоть немножко, да повышает шансы заловить фотоны. В конце концов захватывается уже львиная доля фотонов, и начинает действовать закон убывающей доходности для роста затрат на прибавку слоев.

Конечно, в природе редко у кого возникает нужда отследить комету Галлея с ее ничтожно слабым потоком фотонов, которая к тому же появляется раз в семьдесят шесть лет. Однако зоркие глаза, способные видеть при лунном свете и даже при свете звезд – если вы сова, – весьма полезная вещь. Обычно ночью один наш фоторецептор улавливает примерно по фотону в секунду, то есть существенно быстрее, чем при наблюдении за кометой, но все равно слишком медленно для полного поглощения всех фотонов до единого – если это вообще возможно. Но коли уж мы заговорили о суровых экономических законах в применении к фотонам, было бы большой ошибкой полагать, что они действуют только ночью. В ясный солнечный день тоже не все так просто, хотя на сетчатку может обрушиться настоящий фотонный ливень. Формирование отчетливого, детального изображения сводится к тому, что на разных участках сетчатки фоторецепторы реагируют на свет разной интенсивности, а значит, частота попаданий фотонов, из которых складываются отдельные струи фотонного ливня, тоже должна быть разной. Мелкозернистое изображение предполагает распределение фотонов, а это может приводить к таким же значительным локальным ослаблениям их потока, как и сокращение его вообще в ночное время. Вот этим распределением мы сейчас и займемся.

Сами по себе фоторецепторы сообщают животному лишь о том, светло вокруг него или темно. Животное отличает день от ночи и понимает, с какой стороны падает тень – например, может вовремя заметить приближение хищника. На следующей, более высокой стадии развития, должна была выработаться способность определять направление света и перемещения, скажем, зловещей тени. Для этого проще всего закрасить одну сторону фоторецептора темной краской. Прозрачный фоторецептор без покрытия одной из сторон пропускает свет отовсюду и не несет информации о местонахождении его источника. Животное с единственным фоторецептором в голове, затемненным с одной стороны, может идти на свет или от него. Определить направление немудрено – надо поворачивать голову, как маятник, то в одну сторону, то в другую; если интенсивность света с разных сторон различна, надо изменить направление так, чтобы уравнять яркость света. Некоторые личинки удирают от света, руководствуясь этим правилом.