Природный навигатор: ученые узнали, как птицы ориентируются по магнитной карте
Ученые давно выяснили, что способность птиц к навигации обусловлена наличием у них компасной системы и некоего подобия карты местности. Природа компаса уже не является полной загадкой, в частности, установлено, что птицы используют три независимых друг от друга системы — звездный, солнечный и магнитный компас. Однако вопрос о том, как работает навигационная карта, все еще открыт.
Ежегодно совершая перелеты длиной в тысячи километров, мигрирующие птицы не только безошибочно находят цель путешествия, но и возвращаются с зимовки точно к месту своего обитания, площадь которого обычно не больше 1–3 километров.
«Наиболее вероятными из множества существующих версий являются две — о наличии у птиц запаховой и магнитной карт. Поскольку параметры магнитного поля Земли не могут обеспечить той точности навигации, которой отличаются птицы, можно предположить, что они используют оба вида карт: большую часть пути преодолевают с помощью магнитной, а «финишную прямую» — ориентируясь на запахи», — объясняет профессор СПбГУ, директор биологической станции «Рыбачий» Зоологического института РАН Никита Чернецов.
Более ранние исследования показали, что многие животные используют магнитную карту для того, чтобы ориентироваться по широте (отличать север от юга), однако определить восток и запад по геомагнитному полю Земли практически невозможно. Поэтому «проблема долготы» в науке оставалась нерешенной. Учитывая, что три компасных системы дают птицам направления на магнитный и географический север, ученые полагали, что птицы могут измерять разницу между ними (деклинацию), таким образом определяя долготу. Но доказать это до сих пор не удавалось.
Профессор СПбГУ Никита Чернецов и его коллеги провели эксперимент с участием взрослых и молодых особей тростниковых камышевок — птиц, которые гнездятся в Прибалтике, а на зимовку улетают в Западную Африку.
В период миграции стремление птицы к движению столь велико, что, даже находясь в клетке, она прыгает в том направлении, куда полетела бы, будучи свободной. В рамках исследования мы на Куршской косе (Калининградская область) посадили тростниковых камышевок в особые круговые арены, где они продемонстрировали значимую ориентацию на юго-запад, то есть именно по направлению к месту зимовки.
Профессор СПбГУ Никита Черенцов
Затем с помощью специальных приборов биологи изменили направление магнитного поля в лаборатории. «Общая интенсивность и наклон остались прежними, но мы «повернули» север на 8,5°. Ориентируясь на него, птицы определили свое местоположение и повели себя так, будто на самом деле оказались за полторы тысячи километров от Прибалтики — на юге Шотландии. Торопясь компенсировать смещение и вернуться на свою обычную трассу миграции, они развернулись на юго‑восток», — пояснил Никита Чернецов.
Интересно и то, что молодые особи оказались дезориентированы «потерей» севера — это значит, что способность измерять деклинацию у камышевок не врожденная, птицы этому учатся. Таким образом, ученым впервые в мире удалось доказать, что птицы могут измерять разницу между магнитным и географическим севером и использовать ее для определения своего положения на трассе миграции.
Схема эксперимента. Рисунок Екатерины ЧернецовойЭксперт СПбГУ подчеркивает, что пока этот результат получен только для одного вида и необходимо выяснить, есть ли такая же способность у других перелетных птиц.
Однако теперь показана принципиальная возможность работы такого механизма навигации. «Кроме того, всегда было принято считать, что карта и компас — это абсолютно разные механизмы, а мы выяснили, что один из компонентов карты фактически состоит из двух компасов, да и сама она является не строго магнитной, а магнитно‑астрономической», — добавил профессор Чернецов.
Это открытие — важнейший шаг для исследования миграций животных в целом. Тема находится в центре внимания современной биологии по нескольким причинам. Прежде всего, виды, живущие в нескольких регионах сразу, зачастую оказываются более уязвимыми. Для сохранения биоразнообразия планеты нужно изучать пути и способы миграции животных и охранять их на всем ареале обитания. Наконец, если бы удалось понять существующий в природе механизм и воспроизвести его, человечество получило бы альтернативную систему глобальной навигации — сверхточную и не требующую связи со спутниками.
Подробнее о результатах исследования читайте в статье Migratory Eurasian reed warblers can use magnetic declination to solve the longitude problem, Current Biology.
Ученые выяснили, как птицы не сбиваются с пути при дальних перелетах
Свежий номер
РГ-Неделя
Родина
Тематические приложения
Союз
Свежий номер
08.08.2018 17:51
Рубрика:
Общество
Впервые показано, как птицы находят цель при перелетах на тысячи километров
Юрий Медведев
Одним из наиболее значимых последних достижений Российской академии наук ее глава Александр Сергеев назвал результаты исследований орнитологов. Они нашли еще один механизм, который позволяет птицам с поразительной точностью совершать перелеты на расстояния в тысячи километров. О сути этого исследования рассказывает директор биологической станции «Рыбачий», член-корреспондент РАН Никита Чернецов.
Многие уверены, что с миграцией птиц наука давно разобралась, что они ориентируются по магнитному полю. Однако недавно авторитетный научный журнал Science признал, что миграция птиц по-прежнему остается для науки загадкой.
А ведь ее изучают более 100 лет. Насколько продвинулись ученые в понимании этого феномена?
Никита Чернецов: Чтобы птица могла за тысячи километров вернуться к месту гнездования, ей нужны карта и компас. Это понял в середине 50-х годов прошлого века немецкий ученый Гюнтер Крамер. Вначале должна понять, где находится по отношению к цели, и тут ей нужна карта, а затем уже с помощью компаса выбрать и поддерживать направление движения. Сегодня наука считает, что и компас, и карта могут «работать» на разных физических принципах.
То есть магнитным полем Земли дело не ограничивается?
Никита Чернецов: Сейчас общепризнано, что птицы ориентируются с помощью трех компасных систем: по Солнцу, по звездам и по магнитному полю Земли. Солнечный компас зависит от чувства времени птиц, по сути, от их внутренних часов. А навигации по звездам они обучаются с самого раннего возраста. Вообще умение пользоваться звездным компасом своей сложностью поражает многих специалистов.
Оно требует от птиц хорошо развитых когнитивных способностей, гораздо более продвинутых, чем при работе с магнитным компасом. К примеру, птицы должны замечать медленное вращение неба, выделять центр вращения.
А вот магнитный компас, о котором наслышаны многие, на самом деле долгое время не признавался рядом ученых. Ведь он предполагает, что у птиц должна быть особая система, которой нет у человека, так называемая сенсорная модальность. А потому к подобным исследованиям относились так же скептически, как, например, к изучению телепатии у людей. Ситуация изменилась, когда в 70-х годах на научных фактах было доказано существование у птиц магнитного компаса. Считается, что, в отличие от солнечного и звездного, он у птиц является врожденным. Этот компас не действует в полной темноте, работает в синем и зеленом свете и «отключается» в желтом и красном.
А каков механизм? Как птицы воспринимают магнитное поле?
Никита Чернецов: Это сложная система, на пальцах не объяснишь.
Важно лишь отметить, что в сетчатке их глаза есть рецепторы, через которые запускаются химические реакции. Они преобразуют поле в зрительные образы. Можно сказать, что птицы фактически «видят» магнитное поле. Но вот что интересно. Помимо глаза для получения информации о магнитном поле у птиц существует еще один канал — это тройничный нерв. Его чувствительные окончания находятся в надклювье, откуда информация по нерву поступает в мозг.
Почему природа столь расточительна? Зачем она подарила птице сразу три компаса? Кстати, какой из них точней?
Никита Чернецов: Над этим вопросом давно бьются ученые. Кстати, над птицами очень сложно ставить эксперименты, которые дали бы однозначные ответы. Сейчас считается, что иерархия различных компасов зависит не только от видов птиц, но они разные даже у популяций одного вида. Некоторые птицы, скажем, «дальнобойщики», регулярно сверяют свой магнитный компас с астрономическим. Для тех, кто мигрирует на короткие расстояния, достаточно одного магнитного компаса.
Но если с компасами у науки есть определенная ясность, хотя вопросов еще множество, то ситуация с навигационными картами птиц куда хуже.
Авторитетный журнал Science признал, что миграция птиц по-прежнему остается для науки загадкой, хотя ее изучают более 100 лет
То есть остается неясным, как птицы определяют свое местоположение по отношению к цели перелета?
Никита Чернецов: Здесь много гипотез, среди них две наиболее реалистичные. Согласно первой, птицы пользуются картой градиентов магнитного поля, в частности, его напряженности и наклонения. Они меняются от полюса к экватору, а потому могут быть координаторами широты, направления «север-юг». И в экспериментах показано, что пернатые каким-то образом умеют это измерять. Но вот как им определить на карте географическую долготу, координаты «восток-запад»? Даже люди научились определять долготу только в XVIII веке.
А чтобы птицам решить эту проблему, им надо измерять еще и третий параметр, магнитное склонение — угол между географическим и магнитным полюсами. Такая гипотеза высказана давно, но не было ее реальных подтверждений. И нам впервые в мире удалось в экспериментах с тростниковыми камышовками показать, что они обладают такой способностью, могут измерять склонение в направлении «восток — запад». Значит, могут пользоваться магнитной картой. Именно эту работу имел в виду президент РАН Александр Сергеев, говоря о последних достижениях академии. Теперь нам надо показать, что подобный механизм работает и у других птиц.
А удалось понять механизм, физику явления?
Никита Чернецов: Мы показали, что информация о долготе может поступать в мозг по тройничному нерву, о котором я уже говорил. Возможно, в надклювье есть маленькие частицы магнетита, по сути, это похоже на наш обычный компас. Сейчас данную версию изучаем вместе с учеными питерского Института ядерной физики.
Есть версия, что птицы могут ориентироваться в пространстве по запаху …
Никита Чернецов: Да,Ведь концентрация определенных веществ в атмосфере может меняться, а значит и здесь вероятно есть градиент. В ряде экспериментов птицы с «отключенной» системой обоняния теряли ориентацию. Но у этой версии немало критиков, она требует очень серьезной аргументации.
Российская газета — Федеральный выпуск: №173(7636)
НаукаПриродаНаучный подход с Юрием Медведевым
Главное сегодня
Как мигрирующие птицы используют квантовые эффекты для навигации
Представьте, что вы — молодой веретенник, большая длинноногая ржанка с длинным зондирующим клювом, вылупившаяся в тундре на Аляске. По мере того, как дни становятся короче и приближается ледяная зима, вы чувствуете желание совершить одну из самых впечатляющих миграций на Земле: беспосадочный трансэкваториальный перелет продолжительностью не менее семи дней и ночей через Тихий океан в Новую Зеландию, находящуюся на расстоянии 12 000 километров. Делай или умри. Каждый год десятки тысяч веретенников успешно завершают это путешествие. Миллиарды других молодых птиц, в том числе славки и мухоловки, крачки и кулики, каждую весну отправляются в столь же зрелищные и опасные миграции, умело ориентируясь в ночном небе без какой-либо помощи более опытных птиц.
Люди давно ломают голову над сезонным появлением и исчезновением птиц. Аристотель считал, что некоторые птицы, такие как ласточки, впадают в спячку в холодные месяцы, а другие превращаются в другие виды — горихвостки на зиму превращаются в малиновок. Только в прошлом столетии, с появлением кольцевания птиц, спутникового слежения и более широкомасштабных полевых исследований, исследователи смогли связать популяции птиц, которые зимуют в одном районе, а гнездятся в другом, и показать, что некоторые из них путешествуют на огромные расстояния между двумя этими территориями. мест каждый год. Примечательно, что даже юные дальние путешественники знают, куда идти, и птицы часто из года в год выбирают одни и те же маршруты. Как они находят свой путь?
Перелетные птицы ориентируются по небесным ориентирам, подобно тому, как моряки древности ориентировались по солнцу и звездам. Но, в отличие от людей, птицы также обнаруживают магнитное поле, создаваемое расплавленным ядром Земли, и используют его для определения своего положения и направления. Несмотря на более чем 50-летние исследования магниторецепции у птиц, ученые так и не смогли выяснить, как именно они используют эту информацию, чтобы не сбиться с курса. Недавно мы и другие вторглись в эту непреходящую тайну. Наши экспериментальные данные свидетельствуют о чем-то экстраординарном: птичий компас основан на тонких, фундаментально квантовых эффектах короткоживущих молекулярных фрагментов, известных как радикальные пары, которые фотохимически формируются в их глазах. То есть существа, по-видимому, способны «видеть» линии магнитного поля Земли и использовать эту информацию, чтобы наметить курс между местами их размножения и зимовки.
Таинственное чувство
У перелетных птиц есть внутренние часы с годовым ритмом, которые, среди прочего, сообщают им, когда мигрировать. Они также наследуют от своих родителей направления, в которых им нужно лететь осенью и весной, и если каждый из родителей имеет разные генетически закодированные направления, их потомство в конечном итоге получит промежуточное направление. Например, если птицу, мигрирующую на юго-запад, скрестить с птицей, мигрирующей на юго-восток, их потомство, когда придет время, отправится на юг. Но как молодые птицы узнают, какое направление юго-западное, южное или юго-восточное? В их распоряжении как минимум три разных компаса: один позволяет извлекать информацию из положения солнца на небе, другой использует узоры звезд в ночное время, а третий основан на постоянно присутствующем магнитном поле Земли.
В первую осень молодые птицы следуют унаследованным инструкциям, таким как «лететь на юго-запад в течение трех недель, а затем на юго-юго-восток в течение двух недель». Если они совершают ошибку или сбиваются с курса, они, как правило, не могут восстановиться, потому что у них еще нет действующей карты, которая указывала бы им, где они находятся. Это одна из причин, почему только 30% мелких певчих птиц переживают свои первые миграции на места зимовки и обратно. Во время своей первой миграции птица создает в своем мозгу карту, которая в последующих путешествиях позволит ей перемещаться с точностью до сантиметров на тысячи километров.
Навигационная информация перелетных птиц поступает от нескольких органов чувств — в основном зрения, обоняния и магниторецепции. Наблюдая за кажущимся ночным вращением звезд вокруг Полярной звезды, птицы учатся определять местонахождение севера, прежде чем приступить к своей первой миграции, а внутренние 24-часовые часы позволяют им калибровать свой солнечный компас. Характерные запахи могут помочь птицам узнавать места, которые они посещали ранее. Ученые многое знают о подробных биофизических механизмах зрения и обоняния птиц. Но внутреннюю работу их магнитного компаса понять оказалось труднее.
Чувство магнитного направления у маленьких певчих птиц, мигрирующих ночью, замечательно в нескольких важных отношениях. Во-первых, наблюдения за птицами в клетках, подвергающихся воздействию тщательно контролируемых магнитных полей, показывают, что их компас не ведет себя как намагниченная стрелка в корабельном компасе. Птица определяет ось магнитного поля и угол, который она образует с поверхностью Земли, так называемый наклонный компас. В лабораторных экспериментах изменение направления магнитного поля так, чтобы оно указывало точно в противоположном направлении, не влияет на способность птицы правильно ориентироваться. Во-вторых, восприятие птицами магнитного поля Земли может быть нарушено чрезвычайно слабыми магнитными полями, которые меняют свое направление несколько миллионов раз в секунду. Наконец, хотя певчие птицы летают ночью при тусклом свете звезд, их магнитный компас зависит от света, что указывает на связь между зрением и магнитным восприятием.
В 1978 году, пытаясь разобраться в этих особенностях птичьего магниторецепции, Клаус Шультен, тогда работавший в Институте биофизической химии им. Макса Планка в Геттингене, Германия, выдвинул замечательную идею: компас основан на магниточувствительных химических превращениях. . На первый взгляд это предположение кажется абсурдным, потому что энергия магнитного поля Земли в миллионы раз недостаточна для того, чтобы разорвать или даже значительно ослабить связи между атомами в молекулах. Но Шультена вдохновило открытие, сделанное 10 лет назад, что короткоживущие химические промежуточные продукты, известные как пары радикалов, обладают уникальными свойствами, которые делают их химию чувствительной к слабым магнитным взаимодействиям. За последние 40 лет исследователи провели сотни лабораторных исследований реакций радикальных пар, на которые влияет приложение магнитных полей.
Чтобы понять, почему радикальные пары такие особенные, нам нужно поговорить о квантово-механическом свойстве электрона, известном как спиновый угловой момент или, для краткости, «спин». Спин — это вектор с направлением, а также величиной, и он часто изображается стрелкой, например, ↑ или ↓. Частицы со спином обладают магнитными моментами, то есть ведут себя как микроскопические магниты. Большинство молекул имеют четное число электронов, расположенных парами с противоположными спинами (⇅), которые, таким образом, компенсируют друг друга. Радикалы — это молекулы, которые потеряли или приобрели электрон, а это означает, что они содержат нечетный неспаренный электрон и, следовательно, имеют спин и магнитный момент.
Сразу же после образования пары радикалов в синглетном состоянии внутренние магнитные поля вызывают сложный квантовый «вальс», в котором синглет превращается в триплет, а триплет снова в синглет миллионы раз в секунду в течение периодов до нескольких микросекунд. Важно отметить, что при правильных условиях на этот танец могут влиять внешние магнитные поля. Шультен предположил, что этот тонкий квантовый эффект может стать основой чувства магнитного компаса, которое могло бы реагировать на стимулы окружающей среды в миллион раз слабее, чем обычно считалось возможным. Исследования, проведенные нами и другими учеными в последние годы, вновь подтвердили эту гипотезу.
Возможный механизм
Чтобы быть полезными, гипотезы должны объяснять известные факты и делать проверяемые предсказания. Два аспекта предложенного Шультеном компасного механизма согласуются с тем, что известно о птичьем компасе: радикальные пары безразличны к точным изменениям направления внешнего магнитного поля, и радикальные пары часто образуются, когда молекулы поглощают свет. Учитывая, что магнитный компас птиц зависит от света, предсказание гипотезы Шультена состоит в том, что их глаза играют роль в магнитной сенсорной системе. Около 10 лет назад исследовательская группа одного из нас (Моуритсен) из Ольденбургского университета в Германии обнаружила, что область мозга, называемая кластером N, которая получает и обрабатывает визуальную информацию, является наиболее активной частью мозга в определенные ночные часы. — перелетные птицы используют свой магнитный компас. Если кластер N не функционирует, как показали исследования мигрирующих европейских зарянок, птицы все еще могут использовать свои солнечные и звездные компасы, но они не способны ориентироваться по магнитному полю Земли. Из подобных экспериментов становится ясно, что датчики магнитного компаса расположены в сетчатке птиц.
Одним из первых возражений против гипотезы о парах радикалов было то, что никто никогда не продемонстрировал, что магнитные поля столь крошечные, как земные, которые в 10–100 раз слабее магнита на холодильник, могут влиять на химическую реакцию. Чтобы решить эту проблему, Кристиан Тиммел из Оксфордского университета и ее коллеги выбрали молекулу, химически не похожую ни на что, что можно было бы найти внутри птицы: молекула, которая содержала молекулу донора электронов, связанную с молекулой акцептора электронов через молекулярный мостик. Воздействие зеленого света на молекулы заставляло электрон переходить от донора к акцептору на расстояние около четырех нанометров. Пара радикалов, образовавшаяся в результате этой реакции, была чрезвычайно чувствительна к слабым магнитным взаимодействиям, что доказывает, что на реакцию пары радикалов действительно может влиять присутствие и, что более важно, направление магнитного поля с силой Земли. поле.
Гипотеза Шультена также предсказывает, что должны быть сенсорные молекулы (магнеторецепторы) в сетчатке, в которых могут быть созданы магниточувствительные радикальные пары с использованием длин волн, необходимых птицам для работы их компаса, что согласно другому направлению исследований было определено как центр света в сетчатке. синяя область спектра. В 2000 году он предположил, что необходимая фотохимия может иметь место в недавно открытом белке под названием криптохром.
Криптохромы встречаются у растений, насекомых, рыб, птиц и человека. У них множество функций, в том числе светозависимый контроль роста растений и регуляция циркадных часов. Что делает их привлекательными в качестве потенциальных датчиков компаса, так это то, что они являются единственными известными природными фоторецепторами у любого позвоночного, которые образуют радикальные пары, когда поглощают синий свет. В глазах перелетных птиц было обнаружено шесть типов криптохромов, и за последние 20 лет не появилось ни одного другого типа молекулы-кандидата магниторецептора.
Как и все другие белки, криптохромы состоят из цепочек аминокислот, свернутых в сложные трехмерные структуры. Глубоко в центре многих криптохромов находится желтая молекула, называемая флавинадениндинуклеотидом (FAD), которая, в отличие от остального белка, поглощает синий свет. Среди 500 или около того аминокислот, составляющих типичный криптохром, встроена примерно линейная цепь из трех или четырех аминокислот триптофана, простирающаяся от FAD до поверхности белка. Сразу после того, как ФАД поглощает синий фотон, электрон с ближайшего триптофана перескакивает на флавиновую часть ФАД. Затем первый триптофан притягивает электрон от второго триптофана и так далее. Таким образом, триптофановая цепь ведет себя как молекулярная проволока. Конечным результатом является пара радикалов, состоящая из отрицательно заряженного радикала FAD в центре белка и на расстоянии двух нанометров положительно заряженного радикала триптофана на поверхности белка.
В 2012 году один из нас (Хор) вместе с коллегами из Оксфорда провел эксперименты по проверке пригодности криптохрома в качестве магнитного датчика. В исследовании использовался криптохром-1, белок, обнаруженный в Arabidopsis thaliana , растении, в котором криптохромы были обнаружены 20 лет назад. Используя короткие лазерные импульсы для создания радикальных пар внутри очищенных белков, мы обнаружили, что можем точно настроить их последующие реакции, применяя магнитные поля. Все это очень обнадёживало, но, конечно, растения не мигрируют.
Нам пришлось ждать почти десять лет, прежде чем мы смогли провести аналогичные измерения на криптохроме перелетной птицы. Первой задачей было решить, на какой из шести птичьих криптохромов обратить внимание. Мы выбрали криптохром-4а (Cry4a) отчасти потому, что он связывает ФАД гораздо сильнее, чем некоторые его собратья, а если в белке нет ФАД, то не будет ни радикальных пар, ни магнитной чувствительности. Эксперименты в Ольденбурге также показали, что уровни Cry4a у перелетных птиц выше во время весеннего и осеннего миграционных сезонов, чем зимой и летом, когда птицы не мигрируют. Компьютерное моделирование, проведенное Ильей Соловьевым в Ольденбурге, показало, что европейский Robin Cry4a имеет цепочку из четырех триптофанов — на один больше, чем Cry1 из 9.0024 Арабидопсис . Естественно, мы задались вопросом, эволюционировала ли расширенная цепь для оптимизации магнитного восприятия у перелетных птиц.
Следующей нашей задачей было получить большое количество высокочистой малиновки Cry4a. Цзинцзин Сюй, доктор философии. студент в лаборатории Моуритсена, решил ее. После оптимизации экспериментальных условий она смогла использовать культуры бактериальных клеток для получения образцов белка с правильно связанным FAD. Она также подготовила версии белка, в которых каждый из четырех триптофанов был заменен по одному другой аминокислотой, чтобы заблокировать перескок электронов в каждом из четырех положений цепи. Работа с этими альтернативными версиями белка позволит нам проверить, действительно ли электроны прыгают по всей цепи триптофана.
Мы отправили эти образцы — первые очищенные криптохромы любого мигрирующего животного — в Оксфорд, где Тиммел и ее муж Стюарт Маккензи изучили их с помощью чувствительных лазерных технологий, которые они разработали специально для этой цели. Их исследовательские группы обнаружили, что и третий, и четвертый радикалы триптофана на конце цепи магниточувствительны в сочетании с радикалом FAD. Мы подозреваем, что триптофаны работают совместно для эффективного магнитного восприятия, биохимической передачи сигналов и пеленгации. Мы также предполагаем, что присутствие четвертого триптофана может усилить начальные этапы передачи сигнала, процесса, посредством которого нервные импульсы, кодирующие направление магнитного поля, генерируются и в конечном итоге отправляются по зрительному нерву в мозг. В настоящее время мы проводим эксперименты по выявлению белков, которые взаимодействуют с Cry4a.
Еще одна находка криптохрома заслуживает упоминания. Мы сравнили малиновку Cry4a с очень похожими белками Cry4a двух неперелетных птиц, голубей и кур. Белок малиновки обладал наибольшей магнитной чувствительностью, что указывает на то, что эволюция могла оптимизировать малиновку Cry4a для навигации.
Открытые вопросы
Хотя эти эксперименты подтверждают, что Cry4a обладает некоторыми свойствами, необходимыми для магниторецепторов, мы все еще далеки от доказательства того, как перелетные птицы воспринимают силовые линии магнитного поля Земли. Следующим важным шагом является определение того, действительно ли радикальные пары образуются в глазах перелетных птиц.
Наиболее многообещающий способ проверки пар радикалов внутри глаз птиц был вдохновлен работами химиков и физиков, которые в 1980-х годах показали, что флуктуирующие магнитные поля изменяют способ реакции пар радикалов на статические магнитные поля. Их работа предсказала, что слабое радиочастотное электромагнитное поле, колеблющееся с теми же частотами, что и «синглетно-триплетный вальс», может мешать способности птиц использовать свой магнитный компас. Торстен Ритц из Калифорнийского университета в Ирвине и его коллеги первыми подтвердили это предсказание в 2004 г.
В 2007 году Моуритсен начал аналогичные поведенческие эксперименты в своей лаборатории в Ольденбурге — и получил интригующе разные результаты. Весной и осенью птицы, которые путешествуют между местами гнездования и зимовки, демонстрируют поведение, называемое Zugunruhe , или миграционное беспокойство, как будто им не терпится продолжить свой путь. Находясь в клетке, эти птицы обычно используют свой магнитный компас, чтобы инстинктивно ориентироваться в том направлении, в котором они летели бы в дикой природе. Моуритсен обнаружил, что европейские малиновки, которых тестировали в деревянных хижинах на территории кампуса его университета, не могли ориентироваться по магнитному компасу. Он подозревал, что слабый радиочастотный шум (иногда называемый электросмогом), создаваемый электрическим оборудованием в близлежащих лабораториях, мешает магнитному компасу птиц.
Чтобы подтвердить, что источником проблемы был электросмог, Муритсен и его команда обложили хижины алюминиевыми листами, чтобы блокировать паразитные радиочастоты. Ночами, когда щиты были заземлены и функционировали должным образом, птицы хорошо ориентировались в магнитном поле Земли. Ночами, когда отключали заземление, птицы прыгали в разные стороны. При тестировании в неэкранированном деревянном укрытии, обычно используемом для лошадей, в нескольких километрах от города и вдали от электрооборудования, те же птицы без проблем определяли направление магнитного поля.
Эти результаты важны сразу по нескольким направлениям. Если радиочастотные поля воздействуют на магнитный датчик, а не, скажем, на какой-то компонент сигнального пути, по которому нервные импульсы поступают в мозг, то они дают убедительные доказательства того, что в основе магнитного компаса птицы лежит механизм пар радикалов. Основная конкурирующая гипотеза, которая в настоящее время имеет гораздо меньше поддержки, предполагает, что магнитные железосодержащие минералы являются датчиками. Любые такие частицы, которые были бы достаточно большими, чтобы выровняться, как стрелка компаса в магнитном поле Земли, были бы слишком большими, чтобы вращаться в гораздо более слабом поле, которое меняет свое направление на противоположное миллионы раз в секунду. Кроме того, радиочастотные поля, которые нарушают магнитную ориентацию птиц, удивительно слабы, и мы еще не понимаем, как именно они могут искажать информацию о направлении, доступную из гораздо более сильного магнитного поля Земли.
Также примечательно, что птицы в лаборатории Ольденбурга гораздо эффективнее дезориентировались широкополосным радиочастотным шумом (беспорядочно флуктуирующими магнитными полями с диапазоном частот), чем одночастотными полями, которые в основном использовались Ритцем и его сотрудниками. Мы надеемся, что, подвергая перелетных певчих птиц полосам радиочастотного шума с разными частотами, мы сможем определить, действительно ли датчики представляют собой пары радикалов ФАД-триптофан или, как предположили некоторые другие исследователи, может быть задействована другая пара радикалов.
Остается много вопросов о магнитном компасе птиц, в том числе о том, существуют ли эффекты магнитного поля на малиновку Cry4a, наблюдаемые in vitro, также in vivo. Мы также хотим посмотреть, не мешает ли перелетным птицам с генетически подавленным производством Cry4a ориентироваться с помощью своего магнитного компаса. Если мы сможем доказать, что механизм пар радикалов стоит за магнитным чувством in vivo, то мы покажем, что биологическая сенсорная система может реагировать на стимулы, в несколько миллионов раз более слабые, чем это считалось возможным ранее. Это понимание улучшит наше понимание биологического восприятия и даст новые идеи для искусственных датчиков.
Работа по полному пониманию внутренних навигационных систем перелетных птиц — это не просто интеллектуальное занятие. Одним из последствий того, что перелетные птицы преодолевают огромные расстояния, является то, что они сталкиваются с более серьезными угрозами для своего выживания, чем большинство видов, которые размножаются и зимуют в одном и том же месте. Их сложнее защитить от пагубных последствий деятельности человека, разрушения среды обитания и изменения климата. Переселение мигрирующих особей из поврежденных мест обитания редко бывает успешным, потому что птицы склонны инстинктивно возвращаться в эти непригодные для жизни места. Мы надеемся, что, предоставив новое и более механистическое представление о том, как эти выдающиеся мореплаватели находят свой путь, у защитников природы будет больше шансов «обмануть» мигрантов, заставив их поверить в то, что более безопасное место действительно является их новым домом.
Когда вы в следующий раз увидите маленькую певчую птицу, остановитесь на мгновение и подумайте, что недавно она могла пролететь тысячи километров, с большим умением ориентируясь, используя мозг весом не более грамма. Тот факт, что квантовая спиновая динамика, возможно, сыграла решающую роль в его путешествии, только усиливает благоговение и удивление, с которыми мы должны относиться к этим необычным существам.
Первоначально эта статья была опубликована под названием «Квантовая природа миграции птиц» в журнале Scientific American 326, 4, 26–31 (апрель 2022 г.)
doi:10.1038/scientificamerican0422-26
Из нашего архива
Большой день. Кейт Вонг; Октябрь 2021 г.
ОБ АВТОРАХ
Питер Дж. Хор — химик из Оксфордского университета. Он работает над биофизической химией электронных и ядерных спинов и их влиянием на такие процессы, как механизмы магниторецепции животных. Кредит: Ник Хиггинс
Хенрик Моуритсен — биолог из Ольденбургского университета в Германии. Он изучает механизмы ориентации и навигации у многих различных животных, уделяя особое внимание мигрирующим в ночное время певчим птицам. Предоставлено: Ник Хиггинс
Основы: как птицы ориентируются во время миграции
Воробей с белой короной Келли Колган Азар через Birdshare.Оставаться на курсе
Птицы обладают замечательным инстинктом возвращения домой, что позволяет им возвращаться в одно и то же место из года в год, даже когда их миграция занимает полмира. То, как совершается этот выдающийся подвиг, было предметом многих исследований.
Молодые птицы
Исследования показывают, что молодые птицы, которые не мигрируют со своими родителями, обладают врожденным знанием направления и расстояния, которое они должны преодолеть, но не имеют конкретной цели. Прибыв на место зимовки, молодая птица выберет ареал зимовки, на котором она запечатлится в течение этой зимы. После первого года птица имеет возможность вернуться в тот же район, даже если ее сбило с курса во время миграции.
Взрослые птицы
Взрослые, похоже, обладают еще большими навыками самонаведения. Два классических эксперимента иллюстрируют это положение.
мэнских буревестника были доставлены самолетом с острова, где они гнездились, у побережья Великобритании в два разных места. Одна группа была выпущена недалеко от Бостона, штат Массачусетс, а другая — недалеко от Венеции, Италия. Буревестники не летают над сушей, поэтому обе группы, должно быть, выбрали водный маршрут, который был бы особенно запутанным из Венеции. Обе группы птиц вернулись в свои гнездовые норы в течение 14 дней, преодолевая примерно 250 миль в день. Как им удалось добиться такого замечательного результата, до конца не понятно.
В ходе другого эксперимента несколько сотен белолобых воробьев были отловлены на их зимовках недалеко от Сан-Хосе, Калифорния. Одна группа была доставлена в Батон-Руж, штат Луизиана, и освобождена, а вторая группа была доставлена в Лорел, штат Мэриленд, и освобождена. Следующей зимой тридцать четыре птицы были повторно пойманы на том же участке площадью 1/4 акра в Калифорнии, на котором они были отловлены первоначально, предположительно после того, как летом посетили свои северные места размножения.
Изучение почтовых голубей
Почтовые голуби широко использовались в качестве испытуемых, чтобы лучше понять способность к миграции и самонаведению. Они продемонстрировали почти невероятные навыки навигации.
В одном известном эксперименте немецкий ученый Ганс Вальрафф переправил почтовых голубей в очень отдаленное место. Чтобы птицы не получали никакой внешней навигационной информации, их переводили в строгие условия. Голубей перевозили в закрытых воздухонепроницаемых баллонах и снабжали воздухом в баллонах. Свет включался и выключался в случайное время, проигрывался громкий белый шум. Цилиндры были заключены в магнитные катушки, которые обеспечивали изменяющееся магнитное поле. Наконец, цилиндры были установлены на поворотном столе, соединенном с компьютером, который изменял как вращение, так и наклон цилиндров. После выпуска в далеком и совершенно неизвестном месте птицы смогли улететь домой, в свои гнезда, по-видимому, без каких-либо проблем (за исключением первоначального случая тошноты).
Способность голубей лететь домой из совершенно незнакомого и далекого места указывает на то, что у птиц каким-то образом есть и внутренний компас, и внутренняя карта. Компас сам по себе бесполезен, так как птица не будет знать, находится ли она на севере, юге, востоке или западе от своего дома. Вопрос о том, как у птицы появляется карта места, в котором она никогда раньше не была (и куда она была перенесена в таких изолированных условиях в приведенном выше тесте), и ощущение направления, в котором она должна вернуться домой, остается загадкой. Были предложены следующие возможные объяснения:
Внутренние карты
Нос знает теорию
Откуда у птицы может быть карта мест, где она никогда не была? Одна очень удивительная теория предполагает, что почтовые голуби могут использовать обонятельную карту.
Визуализируйте голубя на его чердаке с запахом сосен с одной стороны и запахом луковой фермы с другой. Если птица приблизится к соснам, запах сосны предположительно усилится, а запах лука ослабнет. Теоретически можно создать градиентную карту запахов, которая предоставит некоторую информацию о направлении, даже если голубя внезапно перебросят в новое место. Флориано Папи и другие из Пизанского университета инициировали эту теорию и имеют некоторые доказательства того, что обонятельная навигация может распространяться на расстояние до 310 миль. Эта теория остается спорной.
Теория магнитных карт
Вторая теория предполагает, что птицы используют магнитное поле Земли, чтобы получить хотя бы частичную карту своего положения. Магнитное поле Земли становится сильнее по мере удаления от экватора к полюсам. Теоретически птица может определить свою широту на основе силы магнитного поля. Хотя изменение силы от одного места к другому очень мало, есть некоторые признаки того, что почтовые голуби обладают чувствительностью, чтобы обнаруживать даже крошечные изменения силы магнитного поля. Даже если это правда, это дало бы лишь ограниченное указание широты птицы.
В настоящее время нет четких доказательств того, что любая из этих теорий является полной историей, а картографические способности птиц остаются в значительной степени необъяснимыми.
Компас
Другая половина навигационного требования — это компас. Внутренняя карта указывает птице общее местоположение относительно цели ее возвращения или миграции, а ее внутренний компас направляет ее полет и удерживает ее на курсе. Перелетные птицы, по-видимому, используют несколько разных компасов.
European Starlings от Итана Виннинга через Birdshare.Солнечный компас
В 1951 году Густав Крамер открыл солнечный компас. Он провел свои эксперименты, поместив европейских скворцов в клетки для ориентации, а затем использовал зеркала, чтобы изменить видимое положение солнца. В ответ птицы изменили свое миграционное беспокойство, чтобы соответствовать направлению компаса, указанному кажущимся новым положением солнца.
Дальнейшие исследования показали, что солнечный компас птицы связан с ее циркадным ритмом. Кажется, у птиц есть способность компенсации времени, чтобы учитывать изменения положения солнца в течение дня. Эта теория подтверждается другим экспериментом, в котором голубей поместили в закрытую комнату с измененным циклом света и темноты. В течение нескольких дней их циркадный ритм был сброшен. Затем птиц выпустили в солнечный день. Поскольку их «внутренние часы» были сброшены, они неверно истолковали положение солнца и совершили предсказуемую ошибку в своем направлении самонаведения. Голуби фактически игнорируют положение солнца относительно его положения на небе, полагаясь на его азимутальное направление, то есть направление по компасу, в котором вертикальная линия от солнца пересекает горизонт.
Дальнейшее исследование также показало, что голуби должны изучить путь солнца, чтобы использовать его в навигации. Молодые голуби, которым разрешено видеть солнце только утром, не имеют возможности использовать солнце для навигации днем.
Звездный компас
Солнечный компас играет роль в определении местоположения и может использоваться птицами, мигрирующими в течение дня. Однако многие виды певчих птиц мигрируют ночью. Многие годы ученые подозревали, что птицы используют звезды для навигации. В 1957 Франц и Элеонора Заур собрали данные серии экспериментов, в которых птиц помещали внутрь закрытого планетарного купола. Завры смогли продемонстрировать, что птицы действительно используют звезды для миграции, но, как оказалось, не так, как они думали. По завершении экспериментов на Сауре было распространено мнение, что у птиц есть генетически закодированная карта звезд. В 1967 году ученый из Корнелла Стивен Эмлен использовал овсянку индиго, чтобы доказать, что на самом деле история была немного другой.
Овсянка индиго от Микаэлы Сагатовой через Birdshare. Доктор Эмлен также использовал закрытый планетарий для своих тестов. Он начал со сбора молодых птиц, а затем выращивал их вручную в лаборатории. Его исследования включали следующее:
A. Одна группа птиц была выращена в комнате без окон и никогда не подвергалась воздействию точечного источника света.
B. Вторая группа также никогда не видела солнца, но поочередно по ночам наблюдала смоделированное ночное небо в планетарии с нормальным вращением вокруг Полярной звезды.
C. Третья группа также была воспитана в комнате без окон, но поочередно ночами наблюдалась имитация ночного неба в планетарии. В этом случае небом манипулировали, чтобы оно вращалось вокруг другой звезды, Бетельгейзе.
Когда начался период осенней миграции, птиц выпустили в специальную клетку внутри планетария.
Группа А была помещена в планетарий под обычным фиксированным небом. Птицы ориентировались в случайных направлениях, не проявляя способности распознавать южное направление миграции.
Группа Б была размещена в планетарии с нормальным вращением вокруг Полярной звезды. Птицы сориентировались в сторону от Полярной звезды, в подходящем для миграции южном направлении.
Группа C также была помещена в планетарий. Они были подняты с Бетельгейзе в качестве центральной точки вращения. Находясь на обычном небе, эти птицы ориентировались в сторону от Бетельгейзе.
Это исследование показывает, что молодые птицы не изучают узоры звезд сами по себе, а узнают ориентацию север-юг по вращательному звездному узору.
Магнитный компас
Другая немецкая команда провела исследование с европейским Робином в начале 1960-х годов. В своих тестах малиновки, проявляющие мигрирующее беспокойство, были помещены в крытые клетки, чтобы исключить солнце, звезды и другие световые подсказки. Несмотря на отсутствие визуальных признаков, малиновки прыгали в правильном направлении миграции.
катушка Гельмгольца В качестве дополнительного уточнения к тесту вокруг закрытых клеток была размещена катушка Гельмгольца. Катушка позволила исследователям изменить направление магнитного поля Земли. Когда направление магнитного поля менялось, малиновки меняли направление прыжков.
Дальнейшие исследования показывают, что хотя птицы могут ощущать северный и южный края компаса, они не могут отличить их друг от друга. Чтобы определить направление на север, птицы, по-видимому, способны чувствовать, что магнитные силовые линии направлены к полюсам Земли. Они также могут обнаруживать наклон силовых линий по мере их приближения к земле и с помощью какого-то пока неизвестного метода обнаруживать и принимать навигационные решения на основе угла наклона.
Сигнал заката
Образцы поляризованного света также играют ключевую роль в навигации. Многие из ночных мигрантов начинают свои полеты с заходом солнца или чуть позже. Птицы, по-видимому, используют поляризованные световые узоры, чтобы предоставить информацию о начальных направлениях перелетного полета.
Достопримечательности
Птицы, мигрирующие в течение дня, часто следуют за естественными формами рельефа, такими как горные хребты, реки и озера, и могут узнавать их.
Есть некоторые признаки того, что птицы используют несколько методов компаса и калибруют их друг против друга.