Удивительные сверхспособности перелетных птиц: видят магнитное поле и читают звездную карту
Фото: Albert Beukhof/Shutterstock/Fotodom
Каким образом птицы могут без посадки пролетать за 11 дней 13 000 километров? Как они ориентируются в пространстве, совершая такие далекие перелеты на юг и обратно? Откуда, находясь в Африке, они узнают, что в Подмосковье наступила ранняя весна? Знаете ли вы, что птицы в прямом смысле слова пользуются очками дополненной реальности? Об этом в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” говорили радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость орнитолог Никита Чернецов, член-корреспондент Российской Академии наук, директор Зоологического института РАН.
ЧТО ИЩУТ В ДАЛЕКИХ КРАЯХ ПЕРНАТЫЕ МИГРАНТЫ
Мария Баченина:
- Я всегда интересовалась – зачем птицы вообще куда-то летят, а, точнее, возвращаются? Вот если бы у меня были крылья, я бы сидела на югах и не возвращалась никуда, там рожала детей, вила гнездо.
Александр Сергеев:
- Или в Санкт-Петербурге.
Никита Чернецов:
- Миграции – это приспособление к использованию сезонных ресурсов. Когда птицы летом, прилетают к нам в умеренные и высокие широты, они эксплуатируют сверхобильный ресурс. Для насекомоядных птиц здесь очень много еды. Кулики, которые гнездятся в Арктике, в буквальном смысле слова ходят по колено в еде. У них вообще нет никаких проблем с тем, чтобы кормить птенцов. Проблема заключается в том, что зимой там выжить невозможно, там полярная ночь. У нас здесь нет полярной ночи, но все равно – холод, снег, лед. А для того, чтобы размножаться и кормить птенцов в тропических районах, для куликов нет места – там все поделено между местными товарищами. Поэтому они прилетают к нам для того, чтобы использовать те ресурсы, которые здесь сезонно доступны.
Мария Баченина:
- Откуда у птиц навык перелета?
Никита Чернецов:
- Начнем с того, что не во все геологические эпохи сезонность климата была такой сильно выраженной, как сейчас. Бывали эпохи, когда разница между зимой и летом была гораздо меньше, чем сейчас. И тогда миграций у животных и птиц было немного и на небольшие расстояния, потому что это было не очень нужно. Мы сейчас живем в эпоху с выраженной сезонностью климата.
В такие времена возникают ситуации, когда в высоких широтах есть очень обильные ресурсы, но они доступны только часть времени. А у популяций, которые гнездились в более низких широтах, появляется больше потомства, чем территория могла прокормить. И вот тогда птицы начинают искать себе новые земли. Постепенно образовывался комплекс физиологических, поведенческих адаптаций, которые мы называем способностью к миграции. То есть, выживали только те, кто научился на зиму возвращаться.
Александр Сергеев:
- Понятно, что летать на большие расстояние проще, чем бегать по земле, тем не менее, миграции есть не только у птиц?
Никита Чернецов:
- Мигрируют, например плавающие животные. Но самые большие расстояния покрывают все же пернатые, несмотря на то, что полет – это энергетически дорогой способ перемещения в пространстве. Но, учитывая высокую скорость, летать все же дешевле, чем плавать или бегать.
КАК ЗА 11 СУТОК СБРОСИТЬ ПОЛОВИНУ ВЕСА
Мария Баченина:
- А что такое перелет с технической точки зрения? В какой эшелон встают птицы, чтобы использовать потоки воздуха? Какую скорость держат?
Радиожурналист Мария Баченина
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
Никита Чернецов:
- У мелких птиц скорость полета где-то от 36 до 72 километров в час, при попутном ветре получается больше. Большинство птиц в дороге вынуждены останавливаться, они не могут большие расстояния, допустим на несколько тысяч километров, преодолеть одним броском. Но есть совершенно потрясающие исключения. Самое замечательное – это малые веретенники. Это такие кулики среднего размера, которые гнездятся на Аляске и зимуют в Новой Зеландии. Эти птицы перелетают через Тихий океан с Аляски в Новую Зеландию без посадки. На данный момент с помощью спутниковых передатчиков установлена максимальная дальность беспосадочного перелета до Тасмании с Аляски – 13000 километров кулики преодолевают за 11 суток непрерывного полета. Это, конечно, фантастический рекорд. Невозможно себе представить! Кулики же не водоплавающая птица, если они сядут на воду, оперение намокнет и птицы утонут.
Александр Сергеев:
- Это какой же особый метаболизм надо иметь, чтобы лететь 11 суток без перерыва? Насколько они худеют за эти 13000 километров?
Никита Чернецов:
- Перед перелетом они запасают энергию в виде жира и удваивают свою массу. То есть, возьмем спортсмена без лишнего веса с массой 60 килограммов. Представьте, что он набирает еще 60-65 килограммов жира, затем идет в тренажерный зал и через 11 суток снова выходит оттуда стройным и подтянутым.
Александр Сергеев:
- Может быть, так и надо?
Никита Чернецов:
- Нет, для млекопитающих это физически невозможно с точки зрения обмена веществ. А птицы на такое способны… Они используют жир буквально, как топливо. Как мы заливаем бензин в бак машины и едем дальше. Это говорит о том, что у птиц есть соответствующие механизмы на биохимическом уровне.
ПТИЦЫ “ВИДЯТ” МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ
Александр Сергеев:
- Давайте перейдем к навигации. Как же они эти 13000 километров пролетают и попадают точно куда надо?
Академик РАН Александр Сергеев
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
Мария Баченина:
- А давайте начнем с такого вопроса. Если мы берем птицу, увозим ее от точки взлета километров за 1000, что будет?
Никита Чернецов:
- Скорее всего, такая птица поймет, куда мы ее сместили и полетит к нужной ей цели, взяв поправку на это смещение. Я делал такие эксперименты сам.
Александр Сергеев:
- Тогда какие сенсоры, какие системы навигации работают у птиц?
Никита Чернецов:
- Для того, чтобы перемещаться на таких больших расстояниях, мигрирующие птицы, или любые животные, должны обладать двумя тесно связанными системами. Им нужна система позиционирования, которая помогает понимать, где они находятся относительно цели. Это можно назвать картой. И еще нужна компасная система. То есть понимать направление, в котором находится цель.
Компасные системы птиц мы знаем лучше, подавляющее большинство исследователей согласны, что пернатые могут пользоваться солнечным, звездным и магнитным компасом. Относительно системы позиционирования консенсуса меньше, но большинство ученых согласны с тем, что птицы могут использовать магнитную систему позиционирования, основанную на изолиниях параметров геомагнитного поля. И, наверное, на первой сотне километров ориентируются по запаховой карте на запаховом ландшафте.
Мария Баченина:
- А можно про магнитную систему позиционирования? Как они это чувствуют? Мне жутко обидно, что мы этого не чувствуем…
Никита Чернецов:
- У нас не формируются чувственные образы. Я боюсь слова «сознание» и стараюсь его избегать, потому что это чувствительная область. Но у человека нет чувственного образа магнитного поля. А у птицы, судя по всему, есть специализированная сенсорная система а, возможно, есть даже две разные. И вопрос о том, как птицы физиологически воспринимают магнитное поле, меня, как исследователя, очень занимает. В составе нашей научной группы мы это активно изучаем. Предполагается на данный момент, что у птиц есть две независимые сенсорные системы, одна из них обеспечивает работу магнитного компаса, а другая - магнитной карты. Вероятно, птицы в состоянии магнитное поле могут воспринимать с помощью зрения – у них образуются зрительные образы. Они магнитное поле в буквальном смысле слова видят. Даже без кавычек.
Орнитолог Никита Чернецов
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
Александр Сергеев:
- То есть, у них формируется визуальный образ?
Никита Чернецов:
- Да. Как очки дополненной реальности.
Александр Сергеев:
- Это действительно интересный опыт. У птиц и млекопитающих ведь были общие предки?
Никита Чернецов:
- Довольно давно.
Александр Сергеев:
- Если это было у нашего предшественника, то, наверное, и у нас тоже где-то внутри невостребованные, нетренированные, но есть способности к тому, чтобы чувствовать магнитное поле?
Никита Чернецов:
- Это возможно. Про птиц я так относительно смело рассуждаю, потому что по ряду причин получилось так, что птицы являются модельным объектом для изучения магниторецепции среди позвоночных. То есть у птиц способность воспринимать магнитное поле доказана. У других групп позвоночных – у земноводных, у пресмыкающихся, у млекопитающих – данные менее надежные. Хорошие данные есть для морских черепах об использовании магнитного поля, как источника пространственной информации…
Александр Сергеев:
- Для тех, кто далеко мигрирует, магнитное поле может быть показателем?
Никита Чернецов:
- Совершенно верно. Но есть данные, пусть и менее надежные, для млекопитающих, в частности, для голых землекопов, для летучих мышей. А еще для тритонов (хвостатых земноводных) и лягушек (бесхвостых амфибий).
Теперь, что касается человека. Есть несколько научных работ, особое внимание привлекла одна из них - японско-американская группа исследователей сажала людей в магнитное кольцо и изменяли магнитное поле. Когда они это поле поворачивали, то спрашивали людей: чувствовали ли они что-то? Участники эксперимента говорили, что ничего не чувствовали. Но когда стали изучать их энцефалограмму, то заметили характерные изменения в работе мозга в момент поворота магнитного поля. Я лично знаю американского коллегу, который руководил исследованием, он очень серьезный экспериментатор, совершенно точно не жулик. Как и все люди, он может заблуждаться, но совершенно точно не врет. Мне было интересно попытаться воспроизвести результаты этого эксперимента. Просто сделать то же самое и посмотреть – получится ли у меня повторить или нет. К сожалению, нам Российский научный фонд дважды отказал в гранте на это исследование, но, мы, наверное, еще раз попробуем.
КВАНТОВЫЕ СПОСОБНОСТИ ПЕРНАТЫХ
Александр Сергеев:
- Когда мы говорим о далеко мигрирующих животных - морские черепахи, киты - что-то известно об их магниторецепторах? Я так понимаю, что про птиц вы разобрались, какая физика или химия стоит за этим. Она одинаковая у разных животных?
Никита Чернецов:
- Про механизмы у других позвоночных мы не знаем практически ничего.
Александр Сергеев:
- Тогда давайте про птиц – что там за физико-химические процессы?
Никита Чернецов:
- Если говорить о зрительной магниторецепции, то существует теоретическая модель, которая объясняет, почему магнитные свойстважелеза к этому механизму никакого отношения не имеют. Есть молекулы белка, криптохрома, которые возбуждаются видимым светом, а дальше начинается довольно сложная физика. Эти молекулы могут находиться в разном квантовом состоянии, и это состояние А и состояние Б зависит от того, под каким углом молекула находится к линиям магнитного поля. То есть, это довольно сложный процесс. Существующая теоретическая модель объясняет бОльшую часть явлений, но не все. Там дальше есть, что изучать, чем мы и занимаемся. Кроме магниторецепторов, которые связаны со зрением и обеспечивают работу магнитного компаса, есть магниторецепторы, которые, как считается, обеспечивают работу магнитной карты. Вот они, наверное, действительно основаны на магнитных свойствах соединений железа. Предположение о том, что магнитная карта у птиц используется для позиционирования, было сделано довольно давно. Но вот убедительное доказательство мы получили в наших работах второй половины нулевых и начала десятых годов.
Александр Сергеев:
- Зачем две системы магниторецепции?
Никита Чернецов:
- Считается, что одна для компаса, другая для карты. Но как такое могло возникнуть в эволюции? Не знаю. Мне это очень интересно. Получается, что для восприятия одного и того же физического стимула существуют две сенсорные системы. Это удивительно. Для того, чтобы это лучше понять, нужно изучить, как устроены магниторецепторные системы у других позвоночных. В идеале, конечно, лучше начать с беспозвоночных – пчел, муравьев, но это уж совсем непосильная задача. Дай бог, чтобы сил хватило хотя бы на позвоночных. Потому что магниторецептурная система у рыб, судя по всему, основана на магнитной индукции. В воде с электромагнитной индукцией проще. Были интересные работы про магниторецепторные механизмы у морских черепах. Есть группа в МГУ, которая занимается земноводными. Но, конечно, про других позвоночных мы знаем гораздо меньше. И связано это, прежде всего, с тем, что тех же птиц мы можем изучать только в лабораторных условиях. Если вы птицу выпустили – она улетела. И вы уже никогда не узнаете, какой информацией оперирует свободно летящая птица, чтобы выбрать направление полета. Немецкий орнитолог Густав Крамер в конце 40-х годов прошлого века обнаружил: если птицу, которая ведет дневной образ жизни, но мигрирует ночью (а таких птиц много) посадить ночью в круговую арену, то они будут прыгать в том направлении, куда бы они летели, если бы были свободны.
Александр Сергеев:
- То есть, мы отключаем звездную ориентацию, солнечную ориентацию, остается только ориентация по магнитному полю и в этих условиях можем птицу изучать?
Никита Чернецов:
- Мы, как экспериментаторы, можем довольно много что сделать. Но в отношении птицы, которая летит в природе, наши возможности манипулирования ограничены.
Мария Баченина:
- А не придумали еще какие-нибудь легкие датчики, чтобы надевать на голову птице и считывать импульсы?
Никита Чернецов:
- Есть работы, в которых электроэнцефалограмму писали с летящей птицы. Кстати, бывший сотрудник МГУ Алексей Высоцкий принимал в этом исследовании активное участие. Но дело в том, что вы все равно пишите на условную флешку и вам нужно потом птицу поймать и эту флешку с нее снять.
Александр Сергеев:
- То есть, флешку потом надо найти среди этих птиц?
Никита Чернецов:
- Нет, они это делали на фрегатах, которые улетают кормиться на несколько суток, но потом возвращаются к гнезду. Тогда фрегата можно поймать и флешку у него из головы выдернуть.
КАК ОНИ ЧИТАЮТ КАРТУ ЗВЕЗДНОГО НЕБА?
Мария Баченина:
- Я хочу успеть спросить: вот для меня это как-то странно – птицы поднимают глаза в небо и запоминают расположение звезд? Или это как-то по-другому работает?
Никита Чернецов:
- Да, примерно так и работает. Птицы, как было показано еще в 60-х годах прошлого века, в состоянии ориентироваться по звездному компасу, они используют звезды для определения сторон света. Причем удивительно в этой истории вот что. Можно пользоваться звездами двумя разными способами. С одной стороны, можно учитывать вращение звездного неба, но тогда вы должны знать время суток – вам нужны правильно синхронизированные внутренние часы. А можно это делать так, как умеют люди. То есть, найти Большую Медведицу, отсчитать от ковша определенное расстояние и вычислить Полярную звезду, а она находится на севере. Возникает вопрос – птицы рождаются с этим знанием? Когда я был маленький, папа показал, как это сделать, и с тех пор я стороны света могу определить по звездам. Но кто это показывает птицам? Было показано, что молодые особи, вскоре после вылета из гнезда, наблюдают за вращением звездного неба и понимают, где находится центр вращения. В Северном полушарии он находится очень близко от Полярной звезды, и птицы воспринимают центр вращения, как направление на север. А дальше они как-то запоминают расположение созвездий.
Александр Сергеев:
- Слушай, паттерн созвездий – это очень классно, особенно для куликов, которые летят с северного полушария в южное и назад, где созвездия совершенно разные.
Никита Чернецов:
- Это справедливое замечание. Начнем с того, что птицы мигрируют и в южном полушарии тоже, а в южном полушарии Полярной звезды нету. На самом деле существует ровно ноль исследований, которые показывали бы что птицы используют звездный компас в южном полушарии. И это очень интересный вопрос. Кроме того, есть еще один нюанс: когда птицы вылупляются из гнезд на севере, за Полярным кругом, там ночи нет и звезд тоже на небе не видно. Значит, это не врожденное умение и птицы этому учатся. Кстати, это довольно сложная когнитивная задача. В исследованиях было показано, если птиц лишить возможности наблюдать звездное небо, то они не умеют пользоваться звездным компасом. А вот магнитный компас – это умение врожденное.
Мария Баченина:
- А птицы, когда летят, выбирают оптимальный маршрут? Есть места, которые они облетают?
Никита Чернецов:
- Оптимальный маршрут это не всегда прямой. Бывает, что птицы летят над благоприятными районами, где можно остановиться, покормиться, отдохнуть, набрать еще жира и полететь дальше. Случаются ситуации, когда приходится пересекать неблагоприятные пространства – океаны, пустыни, горные хребты, такие, как Гималаи. И некоторые принимают решение такие хребты обойти. Или огибают пустыни, или водные пространства. Это зависит от большого количества разных факторов, в том числе от того, хорошо ли эти птицы летают? Каковы их аэродинамические качества?
Член-корреспондент Российской Академии наук, директор Зоологического института РАН орнитолог Никита Чернецов, радиожурналист Мария Баченина и научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ), академик РАН Александр Сергеев.
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
КАК ПТИЦЫ В АФРИКЕ УЗНАЮТ ПОГОДУ В ПОДМОСКОВЬЕ?
Александр Сергеев:
- А то, что сейчас происходит с климатом, сказывается на миграции птиц?
Никита Чернецов:
- Да, безусловно. Изменение климата на планете очень сильно влияет на сезонные явления годового цикла птиц, включая миграцию. Во-первых, птицы стали гораздо раньше, чем это было в 60-70-е годы, прилетать в тех районах, где сильно сдвинулись сроки прихода весны. Например, в европейской части России, особенно в западной ее части.
Александр Сергеев:
- Ну, мы в сады и огороды тоже раньше выезжаем теперь.
Никита Чернецов:
- Правильно. Вот, допустим, живете вы в Москве, у вас есть дача, вы видите, что уже тепло, снег сошел, и говорите домашним: пора поехать на дачу. А теперь вопрос: те птицы, которые зимуют в Африке….
Александр Сергеев:
- Откуда они знают?
Никита Чернецов:
- Совершенно верно. И это не праздный вопрос. Я 25 лет работал на Биологической станции «Рыбачий» на Куршской косе. Там с 1957 года ведется непрерывный мониторинг численности и сроков миграции птиц. В частности, у коллег есть непосредственные прямые данные, которые показывают изменение сроков не только у ближних мигрантов, которые зимуют где-то на юге Европы, у зяблика условно говоря. Зяблик может понять, что тепло. А откуда пеночка, сидя в Африке, узнает, что погодные условия в Европе изменились и можно лететь на две недели раньше?
Александр Сергеев:
- А в Африке ничего не меняется, потому что там температура осталась практически на том же уровне?
Мария Баченина:
- Да, откуда они это знают?
Никита Чернецов:
- Неизвестно. Возможно, те, кто раньше летят, в принципе получают преимущество путем отбора. Раньше прилетел, больше кормовая база, чтобы жирок нарастить. Но точного ответа на этот вопрос мы не знаем.
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ