Я редко позволяю себе отвлечься на рубрику «вынесено из комментариев», но иногда мысли моих читателей поворачивают в столь неожиданном направлении, что кажется необходимым их развить. Сегодня я остановлюсь на выкладках уважаемого @idimus, который отметил под статьёй «Звёзды у нас в голове. О роли астроцитов в работе нейронных сетей» следующее: «Нуу, не видел ни одного животного, часть которого была бы колесом. Так что иногда мы что-то новое придумываем. Однако природные аналоги, часто сильно круче наших решений. Так что творчески переосмыслить не зазорно» — и даже обсудил этот тезис с уважаемым Анатолием @iRumba. Действительно, в живой природе отсутствует колесо, а качение как вариант локомоции встречается крайне редко и почти не закрепляется на уровне конвергентной эволюции. В своё время я задумывался о том, почему биологическая эволюция во множестве вариантов реализовала полёт и парение, а из идеи качения практически ничего не выжала. Раскроем эту тему под катом.

Движение — жизнь, а движение в машинах и механизмах, изобретённых человеком, с глубокой древности обеспечивается за счёт вращения. Кроме колеса мы освоили валы, маховики, шестерни и зубчатые передачи. Компьютерная симуляция, выполненная в США в 2024 году, позволяет предположить, что колесо было изобретено около 6000 лет до н.э. и применялось шахтёрами для транспортировки добытой руды. По мнению этой исследовательской группы, колесо получилось из вала вполне эволюционным путём, который (с сокращениями) выглядит так:

В живой природе эволюция такой путь не прошла, либо отбраковывала на этапе зарождения. Чтобы прояснить этот момент, подчеркну, что отдельные примеры качения по суше в природе всё-таки известны. Например, броненосец, принимающий защитную позу, скатывается в шарик, и в такой позе может катиться.

Такое поведение также известно у некоторых гусениц, личинок жуков-скакунов, сороконожек, раков-богомолов, саламандр горы Лайелл (эндемик Калифорнии). По-видимому, скатываться в шарик могли даже некоторые трилобиты.

Не менее известный образец качения в природе — «перекати-поле». Это высушенные поверхностные части некоторых растений, очень лёгкие и поэтому катящиеся, будучи подхвачены ветром. Так в сухих (пустынных) ландшафтах растение эффективно распространяет свои семена. Википедия указывает семь семейств, представители которых образуют шары перекати-поля —  таким образом, данная модель действительно эффективна, и неродственные растения, объединённые лишь экологической нишей, пришли к такой форме. Данная экологическая ниша — это ровные сухие пространства. Ещё более ровной поверхностью, нежели пустыня, отличаются солончаки. Один из самых крупных солончаков, Уюни, расположен в Андах и занимает площадь более 10 000 км². Вот типичный ландшафт с Уюни:

Тем не менее, ни одно животное, как современное, так и вымершее, колёс не отрастило. Попробуем апостериорно объяснить этот феномен с точки зрения эволюционной биологии.

1. Животное должно было бы развивать колёсоподобные органы в течение долгого времени. При этом, для сохранения зеркальной симметрии, требовалось бы развивать не менее одной, а лучше — две пары колёс. По-видимому, по аналогии с крыльями, возникших в процессе конвергентной эволюции у птиц и летучих мышей, а также с гомологичными органами, под развитие колёс потребовалось бы выделить одну пару конечностей, что серьёзно отразилось бы на выживаемости как детёнышей, так и взрослых особей (птенец практически не пользуется крыльями, пока не оперится).

2. Выросшее колесо должно будет повышать шансы особи на выживание и на оставление потомства, иначе оно будет отбраковано отбором

3. Колёса (как минимум, те, что относятся к одной паре) должны быть практически одного размера, чтобы животное не припадало на одну сторону при движении

4. Вероятно, колёса должны выполнять ещё какую-то полезную функцию кроме ускорения «бега», подобно тому, как крылья помогают летучей мыши не только летать, но и ползать по вертикали

5. Для координации работы колёс необходима ось, вокруг которой колесо будет свободно проворачиваться. Мало того, что ось — это, скорее всего, отдельная и очень важная часть опорно-двигательного аппарата; вдобавок к этому между осью и колесом должен идти активный обмен веществ, поскольку к колесу будет подведено много мышц. Непонятно, каким образом колесо сможет вращаться, не перекручивая мышцы, сухожилия и кровеносные сосуды.   

Исходя из сказанного выше, важнейшим препятствием на пути к развитию органа-колеса кажется необходимость сочетать свободное вращение и активный обмен веществ. Ниже мы обсудим эти преграды подробнее, но также обратим внимание, что два «вращательных» органа эволюция всё-таки «пустила в мейнстрим». Эти органы совершенно не похожи друг на друга, причём, один из них встречается только у микроорганизмов, а другой – у «макроорганизмов». Это, соответственно, жгутик и глаз.

Колесо устроено гораздо проще глаза, и при этом глаз, являясь, фактически, продолжением мозга, снабжён и мышцами, и кровеносными сосудами, и огромным количеством нервных волокон. При этом он очень подвижен, а у некоторых моллюсков и ракообразных животных даже «вынесен» на специальном щупальце (омматофоре); такие глаза называют «стебельчатыми».

В состав глаза входят роговица, зрачок, хрусталик, сетчатка, жёлтое пятно и зрительный нерв. Все эти участки состоят из специализированных клеток, координирующих работу друг с другом. Глаз устроен настолько сложно, что даже используется креационистами в поддержку созданного ими мифа о «нечленимой сложности». На Хабре с разбором и разоблачением этого мифа в своё время выступил уважаемый Валерий Пуговкин @ra3vdx, написавший статью «История зрения или миф о «нечленимой сложности». Тем не менее, глаз может сформироваться поступательно из пятна светочувствительных клеток, и на каждом этапе развития давал эволюционное преимущество своему обладателю.

Обратите внимание: на первых этапах развития «светочувствительных элементов» глаз не нуждается ни в роговице, ни в склере, ни, тем более, в веках, поскольку обладатель глаза живёт под водой. Орган постоянно промывается, поэтому для полезной работы нужна только примитивная «оптика».

Вероятно, развитие глаза начинается с мутации. Рождается особь с мутантным пятном светочувствительных клеток в передней части тела, и это пятно позволяет определять, в какой стороне находится источник света (солнце). Отбор поддерживает этот признак, поэтому из поколения в поколение пятно несколько разрастается, к нему подводятся специализированные светочувствительные нервы, после чего пятно постепенно уходит в углубление на теле, что способствует фокусировке света. В дальнейшем отверстие становится всё уже, пока протоглаз не приобретает форму, напоминающую камеру-обскуру. Следующие этапы развития глаза — это формирование роговицы, склеры и сетчатки. По оценке эволюционных биологов, полноценный глаз может сформироваться таким образом всего за 400 000 лет.  

Колесо, в свою очередь, обладает неустранимой сложностью. Оно сразу должно быть подогнано под ось (даже если будет не парным, а одиночным, как у тачки). Колесо будет лишь осложнять движение, если окажется неровным, либо слишком маленьким, либо недостаточно крепким, либо соскочит с оси.

Человек изобрёл колесо только в Бронзовом веке, уже умея работать с металлами и сплавами, прокладывать колеи и каналы, освоил «обтекаемую форму». Более того, примерно в тот же период, что и колесо, был изобретён парус. То есть, колесо было создано в процессе целенаправленной инженерной работы с целью ускорения движения сначала по склону, а затем и в целом по суше. Аналогичным образом использование паруса позволило снизить нагрузку на вёсла, но при этом весло и парус сосуществуют до сих пор. Менее заметным и гораздо менее длительным было сосуществование колеса и волокуши. Всё это — результат разумного замысла и целенаправленной работы, которые совершенно чужды для эволюции. Часовщик не только слеп, но и, продолжая аналогию Докинза, неизобретателен и забывчив.

Теперь рассмотрим, как устроен бактериальный жгутик:

Бактериальный жгутик состоит из длинного спиралевидного волокна, далеко выходящего за оболочку клетки. Жгутик прикреплен одновременно к мембране и клеточной стенке. В основании жгутика расположены структуры, аналогичные ротору и статору, образующие «бактериальный жгутиковый двигатель». Источником энергии для этого двигателя является иондвижущая сила (IMF) и протонный градиент. Протоны, протекая через белки статора, заставляют ротор вращаться. Направление движения бактерии определяется хемотаксисом — фактически, клетка стремится к привлекательным веществам и уклоняется от опасных молекул. Также благодаря хемотаксису обеспечивается приток протонов для описанного выше процесса и бактериальный обмен веществ. Впрочем, я отклонился от темы. Бактериальный жгутиковый двигатель упоминается в знаменитой книге Ричарда Докинза «Бог как иллюзия» (в главе 4), а также подробно разобран в статье «Нанодвигатель: как работает мотор, созданный бактериями» уважаемого Романа Фишмана.   

Я сделал здесь этот химический и механический экскурс в устройство жгутиков, чтобы подчеркнуть, что локомоция одноклеточных устроена приниципально иначе, чем у многоклеточных, а движение в воде — чем движение по суше. Бактерии для движения требуется минимум энергии, вполне достаточно химического, а не механического двигателя. Более того, у бактерии нет ни органов, ни тканей, ни нервной системы — но и прокариоты ограничились изобретением лишь «гребного», но не «колёсного» и не «передаточного» механизма. Кроме того, Бактериальный жгутик действует в жидкости и в таких масштабах, где свойства жидкости (трение, вязкость) принципиально отличаются от макроскопических.

Если пофантазировать (надеюсь, уважаемый @idimus, вы дочитали до сих пор), такая экосистема, которая давала бы эволюционное преимущество обладателю колёс — это только лёд или соляная плоскость, подобная Уюни. Возможно, при невысокой гравитации «колесоносец» мог бы резко развивать скорость, скользя по склону, в том числе, зигзагами. Но, приобретая выигрыш в скорости на таком участке, он резко попадал бы из-за своих колёс в уязвимое положение и становился лёгкой добычей на следующих ландшафтах, очень распространённых на Земле:

1. Пустошь — даже минимальные борозды, холмики или ямки серьёзно осложняли бы движение. Приходилось бы объезжать любую преграду, высота которой больше, чем радиус колеса. Таких преград было бы больше для детёнышей (чьи колёса ещё не выросли или не окрепли), чем для взрослых особей, что ещё сильнее осложняло бы выживание колёсного молодняка.

2. Пересечённая местность — сразу вспоминаются озы, о которых я писал в одной из недавних статей. Если приходится преодолевать участок, на котором перемежаются трава, кустарник, галька, небольшие водные преграды, а тем более — перепад высот — колёса должны быть полноприводными и давать хорошее сцепление с любым грунтом. Подобная конструкция может быть реализована при помощи разумного замысла, но едва ли её поддержит естественный отбор.

3. Лес и подлесок совершенно исключают использование колеса. В лесу требуется протаптывать тропки и перемещаться шаг за шагом, скорее лезть, чем ехать. Более того, в естественной среде леса заболачиваются и выгорают, из-за чего маршруты движения в них не остаются постоянными. Хотя бы одно колесо, забуксовавшее во время погони, погубит своего обладателя.  

Резюмируя вышесказанное и не претендуя на биологическую безупречность моих рассуждений, предположу, что единственной подходящей экологической нишей для колёсных организмов может быть сухая (пустынная) максимально ровная местность, где практически не бывает дождя, а также почти нет растительности и воды. Такая экосистема также была бы достаточно негостеприимной для обычных «шагающих» животных, что позволило бы относительно безмятежно развиваться «колёсным». Ещё более способствовало бы развитию колёс наличие длинных ровных желобов или каналов, которые не заполнялись бы водой — то есть, там не возникало бы оползней, луж и грязи. Всё это подводит нас к выводу, что для колеса нужна, в первую очередь, дорога, причём, дорога, ведущая куда требуется, а не в тупик или болото. Едва ли такая совокупность структур и условий может возникнуть естественным путём.