Чудо природы: навигация во время миграции
Каждый год миллионы птиц преодолевают тысячи километров между местами гнездования и зимовки; некоторые виды пролетают этот путь без остановок, ночью, над открытым морем, не имея никаких видимых ориентиров. Птица, впервые отправляющаяся в такое путешествие, находит верное направление, не опираясь ни на карту, ни на прежний опыт — этот факт десятилетиями занимает учёных одним вопросом: как именно птицы определяют направление?
Ощущение магнитного поля Земли: магниторецепция
Самый примечательный элемент способности птиц находить путь — это их способность воспринимать магнитное поле Земли, называемая магниторецепцией. Исследования показывают, что это восприятие у птиц, вероятно, осуществляется через два разных механизма. Первый — система, основанная на богатых железом магнитных кристаллах, расположенных в верхней части клюва; считается, что она даёт птице приблизительную ориентацию относительно магнитного севера. Второй механизм гораздо тоньше: когда свет попадает на белок криптохром в глазу птицы, запускается химическая реакция (реакция радикальной пары), которая меняется в зависимости от направления магнитного поля. По мнению некоторых исследователей, этот процесс может даже позволять птице «видеть» магнитное поле как слабый, изменяющийся узор в поле зрения.
Механизм на грани квантовой биологии
Интересная особенность реакции радикальной пары в том, что она выходит за рамки классической химии и опирается на фундаментальные принципы квантовой механики. Состояние «спина» электронных пар, возникающих в результате этой запускаемой светом химической реакции, чрезвычайно чувствительно меняется в зависимости от направления окружающего магнитного поля; эта чувствительность превращается в сигнал, несущий мозгу птицы информацию о магнитном направлении. Это открытие считается одним из самых наглядных доказательств в относительно молодой области квантовой биологии, изучающей примеры, в которых квантовые эффекты играют роль в живых системах. Несмотря на более чем пятьдесят лет исследований, все детали этого механизма до сих пор не раскрыты полностью — например, по каким нервным путям сигнал передаётся от глаза к мозгу и насколько сильно это различается у разных видов, остаётся предметом активных исследований.
За пределами магнитного поля: другие инструменты навигации
Птицы полагаются не только на магнитное поле — у них есть многоуровневая система, объединяющая несколько ориентиров одновременно. Виды, мигрирующие днём, могут использовать положение солнца на небе как компас; это требует постоянно обновляющихся внутренних «биологических часов», поскольку положение солнца существенно меняется от утра к вечеру, и птица должна это компенсировать. У ночных мигрирующих певчих птиц важным ориентиром служит положение звёзд. Эксперименты орнитолога Стивена Эмлена, проведённые в 1960-х годах, показали, что птицы не запоминают звёзды как неподвижную «карту», а определяют направление, наблюдая за центром вращения ночного неба — в Северном полушарии это точка вокруг Полярной звезды; молодые птицы осваивают этот навык, наблюдая за небом из гнезда ещё до своего первого миграционного сезона. Кроме того, исследования, проведённые в основном на голубях, указывают на то, что обоняние также может играть роль в навигации — предполагается, что некоторые птицы способны возвращаться домой, формируя своего рода региональную «карту запахов».
Рекордные перелёты
О том, насколько впечатляюща эта навигационная система, ясно говорят расстояния, которые преодолевают некоторые виды. Полярная крачка (Arctic Tern) совершает ежегодный перелёт свыше 70 тысяч километров от мест гнездования у Северного полюса до районов зимовки вблизи Южного полюса — расстояние, сравнимое с несколькими облётами планеты. Некоторые особи большого веретенника (Bar-tailed Godwit) документированно пролетают без остановок с Аляски до Новой Зеландии — около 11 тысяч километров над океаном за один непрерывный перелёт. Подобные рекордные путешествия показывают, что птицы не просто находят верное направление, но и способны удерживать его на протяжении многих дней, сводя потребность во сне к минимуму и чрезвычайно эффективно используя энергию.
Совместное использование разных сигналов
Один из важнейших выводов современных исследований в том, что птицы полагаются не на единое «суперчувство», а на множество дополняющих друг друга сигналов: длина дня, положение солнца и звёзд, магнитное поле и запаховые метки оцениваются вместе. Эта многоуровневая система гарантирует, что даже когда какого-то одного ориентира недостаточно (например, звёзды не видны в облачную ночь), птица не отклоняется значительно от маршрута. Кроме того, недавние исследования показывают, что небольшие неоднородности магнитного поля Земли могут для некоторых видов служить своего рода «знаком остановки» — птицы, вероятно, используют такие точки как ориентиры при выборе мест для отдыха или зимовки.
Вопросы, ждущие ответа
Несмотря на десятилетия, прошедшие с момента открытия магниторецепции, учёных по-прежнему занимают вопросы о том, как именно основанный на криптохроме механизм радикальной пары обрабатывается в мозге птицы, какие нервные пути передают эту информацию и как разные виды расставляют приоритеты между этими сигналами. Эта область остаётся относительно молодой и быстро развивающейся сферой исследований, находящейся на стыке биологии поведения и квантовой физики.