Малый веретенник (Limosa lapponica), длинноногая птица с длинным клювом из семейства бекасовых, вылупившаяся в тундре Аляски, перед надвигающейся суровой зимой совершает одну из самых впечатляющих миграций на Земле: беспосадочный трансэкваториальный перелёт продолжительностью не менее семи дней и ночей через Тихий океан в Новую Зеландию, находящуюся на расстоянии 12 000 километров. Каждый год десятки тысяч этих пернатых успешно завершают своё путешествие. Миллиарды молодых птиц других биологических видов отправляются в столь же впечатляющие и опасные миграции, умело ориентируясь в ночном небе без какой-либо помощи более опытных собратьев.
Люди давно ломали головы над сезонными появлениями и исчезновениями птиц. Аристотель считал, что некоторые из них, такие как ласточки, впадают в зимнюю спячку в холодные месяцы, а другие превращаются в иные виды, например, краснохвостки в малиновок. Только в прошлом столетии с появлением методики кольцевания и системы спутникового слежения, исследователи смогли связать популяции птиц, которые зимуют в одном районе и гнездятся в другом, и показать, что некоторые из них ежегодно преодолевают огромные расстояния. Но как они находят правильный путь?
Перелётные птицы ориентируются подобно тому, как моряки прошлого использовали для навигации солнце и звёзды, чтобы из пункта А добраться в пункт Б. Но, в отличие от людей, птицы также улавливают магнитное поле, создаваемое ядром Земли, определяя своё положение и направление движения. Несмотря на более чем 50-летние исследования магниторецепции у птиц учёные не могли понять её механизмы, и лишь недавно удалось приоткрыть завес этой тайны. Экспериментальные данные свидетельствуют о чём-то экстраординарном: компас птицы основан на тонких, фундаментальных квантовых эффектах в короткоживущих молекулярных фрагментах, известных как пары радикалов, образующихся при фотохимических процессах в глазах. То есть эти существа способны «видеть» линии магнитного поля Земли и использовать эту информацию для прокладки курса между местами размножения и зимовки.
У перелётных птиц есть внутренние часы с годовым ритмом, которые, помимо прочего, подсказывают, когда нужно мигрировать. Они также наследуют генетически закодированные направления, в которых следует лететь, и если у родителей они разные, потомство в конечном итоге унаследует промежуточный курс. Например, если скрестить птицу мигрирующую на юго-запад с мигрирующей на юго-восток, их дети, когда придёт время, направятся на юг. Но как молодые птицы узнают в каком направлении находится юго-запад, юг или юго-восток? В их распоряжении есть по крайней мере три различных компаса: один позволяет извлекать информацию для навигации из положения солнца на небе, другой использует расположение звёзд ночью, а третий основан на постоянно существующем магнитном поле Земли.
В свою первую осень молодые птицы следуют унаследованным инструкциям, таким как «летите на юго-запад в течение трёх недель, а затем на юго-юго-восток в течение двух недель». Если они совершают ошибку и сбиваются с курса, то, как правило, не могут восстановить направление полёта, потому что ещё не имеют карты, указывающей, где они находятся. Это одна из причин, по которой только 30% мелких певчих птиц переживают свои первые миграции к местам зимовки и обратно. Во время своего первого путешествия птица создаёт в мозге карту, в последующих миграциях позволяющую ориентироваться с филигранной точностью, буквально до сантиметров на протяжении тысяч километров. С её помощью около 50% взрослых певчих птиц каждый год возвращаются к месту своего гнездования.
Навигационная информация у перелётных птиц поступает от нескольких органов чувств — в основном от зрения, обоняния и магниторецепции. Наблюдая за Полярной звездой и окружающими её звёздами, птицы учатся определять местоположение севера прежде чем отправиться в свою первую миграцию, а внутренние часы позволяют им откалибровать свой солнечный компас. Характерные запахи также могут помочь птицам распознать места, которые они посещали раньше. Учёным многое известно о подобных биофизических механизмах зрения и обоняния, но понять внутреннюю работу магнитного компаса оказалось гораздо труднее.
Чувство магнитного направления у маленьких певчих птиц, мигрирующих ночью, примечательно в нескольких важных отношениях.
- Во-первых, наблюдения за птицами в клетках, подвергающихся воздействию тщательно контролируемых магнитных полей, показывают, что их навигатор ведёт себя не так, как намагниченная стрелка привычного нам компаса. Птица определяет ось магнитного поля и угол, который она составляет с поверхностью Земли. В лабораторных экспериментах изменение направления магнитного поля таким образом, чтобы оно указывало в прямо противоположном направлении не влияет на способность птицы правильно ориентироваться.
- Во-вторых, восприятие птицей магнитного поля Земли может быть нарушено чрезвычайно слабыми магнитными полями, которые меняют своё направление несколько миллионов раз в секунду.
- Наконец, несмотря на то, что певчие птицы летают ночью при тусклом свете звёзд, их магнитный компас зависит от освещения, что говорит о связи между зрением и магнитным восприятием.
В 1978 году, пытаясь разобраться в этих особенностях магниторецепции птиц, Клаус Шультен, работавший в то время в Институте биофизической химии Макса Планка в Гёттингене (Германия), выдвинул интересную идею: компас основан на магнитно-чувствительных химических превращениях. На первый взгляд это предположение кажется абсурдным, поскольку энергия, получаемая от магнитного поля Земли, слишком мала, в миллионы раз меньше необходимой для того, чтобы разорвать или хотя бы значительно ослабить связи между атомами в молекулах. Но Шультен был вдохновлён открытием, сделанным 10 годами ранее – короткоживущие химические соединения, известные как пары радикалов, обладают уникальными свойствами, делающими их чувствительными к слабым магнитным взаимодействиям.
Чтобы понять, почему радикальные пары настолько особенные, следует вспомнить о квантово-механическом свойстве электрона, известном как спиновый момент импульса, или сокращённо «спин». Спин – это вектор с направлением, а также величиной, и он часто представляется стрелкой, например, ↑ или ↓. Частицы со спином обладают магнитными моментами, то есть ведут себя как микроскопические магниты. Радикалы – это молекулы, которые потеряли или приобрели электрон. Когда в результате химической реакции одновременно образуются два радикала, два неспаренных электрона (по одному в каждом радикале) могут иметь либо антипараллельные (⇅), либо параллельные спины (↑↑), расположения, известные как синглетное и триплетное состояния.
Сразу после того, как радикальная пара создаётся в синглетном состоянии, внутренние магнитные поля заставляют два электронных спина проходить сложный квантовый «вальс», в котором синглет превращается в триплет, а триплет обратно в синглет миллионы раз в секунду. Важно отметить, что при определённых условиях на такой «танец» могут влиять внешние магнитные поля. Шультен предположил, что этот тонкий квантовый эффект может лечь в основу магнитного компаса, способного реагировать на изменения окружающей среды в миллион раз слабее, чем ранее считалось возможным.
Два аспекта предложенного Шультеном механизма согласуются с фактами, известными о птичьем компасе: пары радикалов индифферентны к тонким изменениям внешнего магнитного поля и образуются, когда молекулы поглощают свет. Так как магнитный компас птиц зависит от света, гипотеза Шультена предполагает, что их глаза играют определённую роль в магнитной сенсорной системе. 10 лет назад исследовательская группа Моурицена из Ольденбургского Университета в Германии обнаружила, что область, называемая кластером N, является наиболее активной частью мозга, когда некоторые ночные мигрирующие птицы пользуются биологическим магнитным компасом. Если кластер N не функционирует, птицы всё ещё могут использовать свои солнечные и звёздные навигаторы, но уже не способны ориентироваться с помощью магнитного поля Земли. Из подобных экспериментов стало ясно, что рецепторы магнитного компаса расположены в сетчатке птиц.
Одним из основных возражений против гипотезы радикальных пар было то, что никто никогда не доказал, что такие слабые поля, как магнитное поле Земли (в 10–100 раз слабее магнита, висящего на холодильнике), могут влиять на химическую реакцию. Однако Кристиана Тиммел из Оксфордского Университета и её коллеги подобрали молекулы, содержащие доноры электронов, связанные с акцепторами через молекулярный мостик. Воздействие света приводило к тому, что электрон перескакивал от донора к акцептору на расстояние 4 нанометров. Пара радикалов, образовавшаяся в результате этой реакции, была чрезвычайно чувствительна к слабым магнитным взаимодействиям, доказывая, что на реакцию действительно может влиять присутствие и, что более важно, направление — магнитного поля Земли.
Однако засчёт каких конкретно веществ может осуществляться этот эффект в сетчатке глаз птиц? В 2000 году Шультен предположил, что подобные процессы могут происходить в недавно открытом белке под названием криптохром. Криптохромы встречаются в организмах растений, насекомых, рыб, птиц и даже у людей. Они выполняют множество функций, включая светозависимый контроль роста растений и регуляцию циркадных часов.
Эксперименты подтвердили, что из всей группы криптохромов именно Cry4a обладает свойствами, необходимыми для магниторецептора, а в 2007 году Моурицен провёл поведенческие эксперименты в своей лаборатории в Ольденбурге с интригующими результатами. Весной и осенью птицы, которые путешествуют между местами гнездования и зимовки, проявляют так называемое миграционное беспокойство, как будто им не терпится отправиться в путь. Находясь в клетке, птицы обычно используют свой магнитный компас, чтобы инстинктивно ориентироваться в направлении, куда они летели бы в дикой природе. Моурицен обнаружил, что европейские малиновки, которых тестировали в деревянных клетках на территории кампуса его университета, теряли способность к ориентации. Он заподозрил, что слабый радиочастотный шум (иногда называемый электросмогом), создаваемый электрическим оборудованием в близлежащих лабораториях, генерировал помехи магнитному компасу птиц.
Для подтверждения того, что источником проблемы был электросмог, Моурицен и его команда обшили клетки алюминиевыми листами, с целью блокирования посторонних радиочастот. В те ночи, когда щиты были заземлены и функционировали должным образом, птицы хорошо ориентировались в магнитном поле Земли, но когда заземление было отключено, они прыгали в произвольных направлениях. При тестировании в неэкранированном деревянном укрытии в нескольких километрах от города вдали от электрооборудования у тех же птиц не возникало проблем с определением направления магнитного поля.
Если радиочастотные поля воздействуют на магнитный рецептор, а не, скажем, на какой-то компонент сигнального пути, передающего нервные импульсы в мозг, то это является убедительным доказательством того, что функционирование пары радикалов лежит в основе магнитного компаса птицы.
Теперь, когда вы увидите маленькую певчую птичку, остановитесь на мгновение, чтобы подумать. Она, возможно, недавно пролетела тысячи километров, умело ориентируясь с помощью мозга весом не более грамма. Тот факт, что квантовая спиновая динамика, вероятно, сыграла решающую роль в её путешествии, только усиливает благоговейный трепет и удивление, с которыми следует относиться к этим необычным существам.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Занимательная биология»:
