Сосуды (Часть 1)

Иногда численность популяций животных, в том числе человека, уменьшается всего до нескольких особей. (Причинами могут быть изменения климата, увеличение числа хищников, болезни, масштабные природные катаклизмы или техногенные катастрофы.) Такое сокращение генофонда получило название эффекта бутылочного горлышка — на графике резкий спад популяции повторяет переход основной части бутылки в горлышко.
Генетическое разнообразие популяций, которых «схватили за горлышко», сокращается, ведь размножается и передаёт свои гены лишь оставшаяся в живых горстка особей. Выжившие не обязательно имеют все наборы признаков изначального генофонда, поэтому встречаемость того или иного признака и связанного с ним гена может сильно измениться.

В качестве примера можно привести популяцию современных гепардов. За последние десятилетия их численность уменьшилась и теперь составляет менее 20 тыс. особей. Учёные, озабоченные проблемой исчезновения этих диких кошек, выяснили, что их популяция обладает очень малым генетическим разнообразием. По всей видимости, в конце последнего ледникового периода гепарды едва избежали вымирания. Возможно даже, где-нибудь в пещере выжила одна беременная самка, позже давшая потомство. В таком случае все современные особи являются потомками родных братьев и сестёр. И это весьма прискорбно, ведь недостаток генетического разнообразия у гепардов привёл к отклонениям в образовании сперматозоидов, уменьшению плодовитости, высокой смертности детёнышей и повышенной чувствительности к болезням. Впрочем, о вреде близкородственного скрещивания можно говорить долго, с привлечением самых разных примеров, в том числе из истории королевских династий.

Человеческая популяция на заре своего становления тоже прошла через «бутылочное горлышко». Примерно 60–80 тыс. лет назад, после извержения супервулкана Тоба, которое сменилось резким похолоданием, численность наших предков сократилась до нескольких тысяч (одни учёные говорят о двух, другие о десяти).

Было бы даже странно, если б такой раздел математики, как топология (известный геометрическими парадоксами), не обзавёлся неизменной при любых деформациях бутылкой. Это произошло в 1882 году, когда немецкий математик Феликс Христиан Клейн придумал неориентируемую, то есть не имеющую различий между внешней и внутренней стороной, поверхность, позднее названную бутылкой Клейна. Сам учёный своё детище бутылкой не нарекал. Скорее всего, термин закрепился из-за некоторой схожести поверхности с ёмкостью или же потому, что немецкие слова fläche (поверхность) и flasche (бутылка) звучат почти одинаково.

Впервые описание этого феномена появилось в монографии Клейна «О теории алгебраических функций Римана и их интегралов»:

По строению бутылка Клейна напоминает ленту Мёбиуса — одностороннюю поверхность, едва ли не самый известный топологический объект. При разрезании бутылки надвое вдоль оси симметрии и получаются две ленты Мёбиуса. Если бы сосуды классической формы (с вытянутым горлышком) делали из силикона, подобие бутылки Клейна можно было бы смастерить и дома. Мы проделали бы отверстия в донышке и стенке ёмкости; горлышко вытянули, изогнули вниз и, продев через отверстие в стенке, присоединили бы к отверстию на дне. При этом оригинальная бутылка Клейна существует лишь в четырёхмерном пространстве и без дополнительных отверстий, а в нашем, трёхмерном, без них не обойтись.

C бутылками связан один из самых продолжительных опытов в науке — на сегодняшний день он длится уже почти 140 лет.
Цель эксперимента — узнать, как долго семена могут храниться в почве, не прорастая, не загнивая и не высыхая, — проще говоря, не теряя свои основные качества. Опыт начался осенью 1879 года, когда профессор ботаники Мичиганского университета (США) Уильям Джеймс Бил составил 20 наборов семян сорняков: клевера, мокрицы, мальвы, пастушьей сумки, подорожника, коровяка и др. (всего 21 вид растений-вредителей) — и поместил их в 20 полулитровых бутылок с чуть влажным песком. Одна подборка включала 50 семян каждого вида, то есть в одной ёмкости их было более тысячи. Профессор велел закопать бутылки, не закупоривая, вверх дном, чтобы в них не скапливалась вода.

Первые 40 лет проверка семян на сохранность и всхожесть проводилась каждые 5 лет. Для этого одну из бутылок выкапывали, а семена переносили в условия, способствующие их прорастанию. До 1915 года это делал автор эксперимента. Позже, с 1920-го, к эксперименту подключились его ученики. Они увеличили промежуток между проверками до 10 лет. С 1980-го интервалы снова возросли — до 20 лет.
В 2000 году выкопали пятнадцатую по счёту бутылку. Семена, пролежавшие 120 лет, поместили в тепличный лоток со стерильной почвенной смесью, где они довольно скоро пустили ростки.
Надо сказать, во второй половине ХХ века всходы давал лишь коровяк. И только из пятнадцатой бутылки проросли ещё и семечки мальвы круглолистной. Опыт продолжается и завершится по графику — в 2100 году.

C 1904 по 1906 год морской биолог Джордж Паркер Биддер III (внук британского инженера и изобретателя, умевшего производить в уме чрезвычайно сложные вычисления) опустил на дно Ла-Манша 1000 бутылок, вложив в них листы бумаги с крупной надписью «РАЗБИТЬ». На обратной стороне были анкета для фиксации данных, где и когда обнаружена бутылка, и просьба вернуть находку в Морскую биологическую ассоциацию города Плимут за вознаграждение в один шиллинг.
Отслеживая перемещение бутылок (чаще всего они попадались в сети рыбаков), Биддер-младший изучал подводные течения. Благодаря этому эксперименту исследователь доказал, что в Северном море есть западное течение, а также описал маршрут миграции камбалы.
Сегодня вместо бутылок для изучения течений используют радиомаячки, которые крепят на рыб.
Бутылки Биддера до сих пор прибивает порой к берегам европейских стран, омываемых Северным морем. В последний раз старинный сосуд с научной весточкой из прошлого обнаружили в 2015 году на одном из немецких пляжей.