Чувствуют ли птицы на самом деле магнитное поле Земли
Если вы заблудились где-то в лесу, дорогу обратно найти будет непросто. Существует много лайфхаков для определения своего местоположения, но сделать это удается не всегда. Иногда нас спасает навигатор: он ловит сигнал со спутника, который «видит» местность с высоты и может показать, где вы находитесь.
А вот птицам навигатор не нужен. У них есть свой встроенный GPS прямо в голове. Благодаря ему эти животные могут находить дорогу домой даже за тысячи километров от дома. Считается, что все это благодаря чувству магниторецепции — ощущению магнитного поля живыми существами. Кроме птиц это чувство уже находили у бактерий и насекомых. И если у бактерий этот феномен объясняется присутствием специальных органелл с магнитными частицами внутри, то с птицами все не так однозначно.
До сих пор непонятно, как птицы могут чувствовать магнитное поле. По одной из теорий эту функцию у них выполняют специальные белки криптохромы, но воочию наблюдать этот механизм пока не удалось. Согласно другой точке зрения у птиц в некоторых клетках есть частицы магнитного минерала магнетита, которые при действии магнитного поля ориентируются определенным образом и дают сигналы, которые организм может воспринять.
Кроме птиц магнитные поля могут чувствовать и некоторые млекопитающие, такие как мыши и летучие мыши. Однако, они «слышат» поля более сильной напряженности, чем птицы и пользуются этой способностью не так часто.
Как птицы чувствуют магнитное поле
Во время миграций тростниковые камышевки выбирают направление полета с помощью клюва.
Известно, что многие животные могут ориентироваться по магнитному полю Земли, однако до сих пор не вполне понятно, как именно они его чувствуют. Даже у птиц, у которых магнитную чувствительность изучают дольше, чем у других, магнитосенсорный орган с переменным успехом ищут до сих пор.
Считается, что в таком органе, чем бы он ни оказался, должно быть много железа, и поначалу многие думали, что у пернатых компас находится в клюве – потому что железа в клюве у них как раз много. Но потом оказалось, что если перерезать тройничный нерв, который связывает клюв с мозгом, то птицы все равно будут ощущать магнитное поле. Еще позже появились другие гипотезы насчет птичьего компаса – так, на его роль в 2013 году предложили волосковые клетки внутреннего уха, которые содержали железные микрошарики.
Однако в том же 2013 году в PLoS ONE появилась совместная работа исследователей из Зоологического института РАН и Университета Ольденбурга, которые своими экспериментами отчасти реабилитировали гипотезу «магнитного клюва». Подробно об этом и вообще о магнитном чувстве животных и людей мы рассказывали в девятом номере «Науки и жизни» за 2016 год; сейчас скажем лишь, что у магнитного поля есть разные характеристики, и поэтому можно представить, что тот или иной орган может чувствовать лишь некоторые из них.
Так вот, сотрудники из Зоологического института РАН (Санкт-Петербург) вместе с коллегами из Университета Ольденбурга показали, что клюв и тройничный нерв нужны пернатым для понимания магнитной карты местности. Если нерв перерезать, то у птиц исчезает именно представление о магнитном ландшафте; однако чувство магнитного севера и магнитного юга у них остается – для этого, вероятно, есть рецепторы в какой-то другой части тела.
Исследователи продолжили эксперименты с тройничным нервом птиц: для нескольких десятков камышевок с помощью специальных приборов изменили окружающее магнитное поле, и хотя на деле птицы находились в поселке Рыбачий на Куршской косе Калининградской области, по магнитному полю получалось, что они сидят на 1000 километров восточнее, в Звенигороде Московской области. Остальные ориентиры, которые птицы могли бы использовать для ориентации на местности (солнце, звезды, ландшафт, запахи и так далее), никак не менялись.
Камышевки – перелетные птицы, они гнездятся в Прибалтике, а на зимовку улетают в Западную Африку. Эксперимент ставили весной, так что камышевки стремились попасть именно в прибалтийский регион. Среди них были те, у которых рассекли глазничную ветвь тройничного нерва, и были те, у которых нерв был в порядке. Оказалось, что те, чей нерв повредили, магнитное смещение никак не заметили – он по-прежнему стремились двигаться на северо-восток. А вот обычные птицы стали себя вести так, будто действительно переместились в Подмосковье, и начали стремиться на северо-запад. По словам профессора СПбГУ Никиты Чернецова, новые данные «. доказывают, что информация, которая передается по глазничной ветви тройничного нерва и которая необходима для того, чтобы птица понимала, где она находится, имеет магнитную природу». Есть нерв, есть функция, сам рецептор пока не найден – осталось его найти. Подробно результаты исследований опубликованы в Scientific Reports.
Подобные исследования помогают изучать пути и способы миграции различных животных, а значит, помогают защищать их на всем ареале обитания – ведь виды, живущие в нескольких регионах сразу, часто оказываются особенно уязвимыми. К тому же, если ученым удастся детально изучить птичий «магнитный компас», возможно, в будущем эту систему получится воспроизвести и получить магнитный навигатор, не требующий связи со спутниками.
У птичьего компаса обе стрелки синие
В обзоре Д. А. Кишнева и Н. С. Чернецова изложены актуальные представления, экспериментальные исследования и факты по изучению магниторецепторных систем у птиц. Обоснованными представляются гипотезы о наличии нескольких независимых систем, обеспечивающих магнитную ориентацию птиц. В первой системе зрительные магниторецепторы, встроенные в сетчатку глаза, обеспечивают компасное ориентирование. Исследователи считают, что птицы буквально видят магнитное поле, благодаря различиям в продуктивности бирадикальных реакций в разных частях сетчатки. Вторая система, по-видимому, обладает магниторецепцией на основе биогенного магнетита. Предполагается, что рецепторы этой системы локализованы в надклювье. Имеются также экспериментальные данные, позволяющие предполагать существование третьей системы магнитного ориентирования, расположенной в структуре внутреннего уха — лагене.
Изумление людей вызывает способность птиц находить дорогу, часто за тысячи километров от цели, во время сезонных перелетов или хоминга (стремления возвратиться домой: именно на нем основана голубинная почта). Каков механизм, лежащий в основе выбора направления? Хотя ответ на этот вопрос еще предстоит узнать человечеству, в статье Д. А. Кишкинева (Университет Гелфа, Канада) и Н. С. Чернецова (Зоологический институт РАН) представлен обзор исследований и фактов по одному из направлений в этой области – изучение магнитной компасной системы птиц (см. заметку на полях).
Согласно концепции карты и компаса, мигрирующая птица должна сначала определить, где она находится по отношению к цели, а затем выбрать направление на цель и поддерживать его (Kramer, 1953). Определение своего положения относительно цели движения (например, при миграции) без прямого сенсорного контакта с целью принято называть способностью к навигации; способность выбирать и поддерживать компасное направление называется способностью к ориентации.
- по движению Солнца по небосводу (Kramer, 1951, 1953; Schmidt-Koenig, 1990);
- по картине звездного неба (Emlen, 1967; Wiltschko et al., 1987, 2009);
- с использованием геомагнитного поля Земли (Wiltschko et al., 1972).
В обсуждаемом обзоре рассмотрены системы, обеспечивающие ориентацию по геомагнитному полю Земли. На данный момент можно считать обоснованным мнение о наличии двух разных магниторецепторных систем (систем воспринимающих интенсивность и наклон линий напряженности магнитного поля к земной поверхности): 1) с химическими магниторецепторами, расположенными в сетчатке глаз и использующими бирадикальные реакции и 2) с железосодержащими магниторецепторами, расположенными в районе надклювья и ассоциированными с тройничным нервом. Существует также гипотеза о существовании третьей системы магниторецепции, связанной с внутренним ухом.
Химическая магниторецепторная система представляет собой встроенные в сетчатку глаз белки-криптохромы (класс светочувствительных белков). Под воздействием света определенного спектра криптохромы переходят в возбужденное состояние с образованием двух радикалов. Пара радикалов под влиянием внешнего магнитного поля постоянно меняет свое энергетическое состояние. На «энергетический исход» этого процесса влияет напряженность и ориентация магнитного поля по отношению к оси радикальной пары. Считается, что изменения пропорций продуктов бирадикальной реакции, происходящей в разных районах сетчатки глаза, птица буквально видит (рис. 1).
Гипотеза наличия химических магниторецепторов косвенно подтверждается рядом фактов. Во-первых, в сетчатке глаз птиц найдено четыре формы молекулы криптохрома, которые имеются в фоторецепторах, нейронах внутреннего слоя сетчатки и в нервных клетках сетчатки. Во-вторых, экспериментально показано, что время жизни радикалов достаточно продолжительно для воздействия магнитного поля (Liedvogel et al., 2007). Показано также, что магнитный компас может действовать на искусственно собранной молекуле, сходной с криптохромом (Maeda et al., 2008). В-третьих, модель радикальных пар утверждает, что компас птиц должен быть чувствителен к оси магнитного поля, но не различает полярности. Иными словами, птица видит полюс и экватор магнитного поля, но не различает северный и южный полюса. Это свойство магнитного ориентирования птиц было подтверждено во многих экспериментах. В-четвертых, спектр поглощения криптохромов соответствует данным ориентировочных экспериментов, в которых птицы проявляли способность к магнитному ориентированию при определенной части спектра видимого света. Пятым подтверждением являются экспериментально подтвержденные факты нарушения ориентации птиц под воздействием осциллирующих магнитных полей. И, наконец, имеются факты, подтверждающие обработку магнитной компасной информации в зрительных центрах исследованных мигрирующих птиц (садовая славка, зарянка, луговой конек).
Вторая независимая система магнитного компаса птиц, как представляется, воспринимает магнитную информацию рецепторами на основе соединений железа, а именно, магнетита (Fe3O4). Магнетит обнаружен в тканях многих живых организмов — моллюсков, бактерий, рыб и др. (Киршвинк и др., 1989). Биогенный магнетит был найден и в организме птиц в носовой полости. Авторы открытия предполагали, что железосодержащие клетки передают информацию от магнитных стимулов по глазной ветви тройничного нерва. Но убедительных результатов экспериментов по инициированию ответа на магнитный стимул получить не удалось. Следующим шагом в развитии этой гипотезы были исследования группы Фляйсснера (Fleissner et al., 2003). Исследователи обнаружили железосодержащие структуры в надклювье почтовых голубей, а также подтвердили, что первая ветвь тройничного нерва несет магнитную информацию от рецепторов, находящихся в области надклювья. Однако, более поздние исследования Трайбера с коллегами (Treiber et al., 2012) показали, что большинство железосодержащих клеток в надклювье не рецепторы, а макрофаги. Кроме того, они не образуют структур, а рассеяны вдоль надклювья.
Тем не менее существуют убедительные экспериментальные данные того, что тройничный нерв птиц все-таки передает информацию для магнитного ориентирования. Это было показано группой ученых (Mora et al., 2004) на почтовых голубях, которых обучили воспринимать магнитный стимул. Способность его воспринимать временно утрачивалась под воздействием лидокаина, которым смазывали надклювье, и необратимо утрачивалась у тех голубей, у которых оперативным путем был перерезан исследуемый нерв. Были и другие эксперименты на ориентирование, эксперименты с нарушением магнитной ориентации птиц пульсацией магнитного поля. На взгляд авторов обзора, результаты многочисленных экспериментов указывают на однозначную роль магнитного материала в механизме магниторецепции.
В следующей части статьи обсуждается гипотеза третьей системы магнитного компаса птиц, которую авторы считают достаточно убедительной. Эта система, по-видимому, локализована в одной из структур внутреннего уха (лагене). В этом случае подход к поиску был существенно иным. Птицу подвергали действию меняющегося магнитного поля, а затем исследовали экспрессию (активность) генов, которые маркируют нейронную активность мозга. Так отслеживалось поступление информации. Удаление лагены значительно снижало уровень нейронной активности (т. е. полученной информации), во всех не зрительных областях мозга. В ряде других экспериментов удалось показать, что нейроны вестибулярных ядер (которые связаны с внутренним ухом) кодируют направление, интенсивность и полярность магнитного поля. Поскольку эти нейроны получают информацию от разных рецепторов, однозначных решений этих задач пока нет.
Российские биологи поняли, что перелетные птицы «чуют» магнитное поле клювом
То, как различные птицы могут находить путь, летя домой или мигрируя к местам гнездования, волнует биологов уже не первое столетие. Важный прорыв в понимании этих механизмов недавно совершила группа российских орнитологов, изучающая повадки тростниковых камышовок. Все дело в клюве, объясняет Дмитрий Кишкинев, сотрудник факультета интегративной биологии Университета Гуэлфа (Канада), рассказавший о деталях своего открытия «Газете.Ru».
Ученые разделяют способность к ориентации (выбору направления) птиц от навигации — умения не только поддерживать строгое направление движения, но и представлять себе истинное местоположение относительно цели. Благодаря экспериментам, которые ведутся с 60-х годов, ученые знают, что ориентироваться птицы могут несколькими способами:
оценивая поляризацию солнечного света, положение солнца на небе, вращение звезд вокруг Полярной звезды и используя магнитный компас.
«Ночью мигрируют большинство мелких воробьиных, славки, соловьи, камышовки», — говорит Кишкинев. С навигацией птиц пока остается много вопросов, есть две гипотезы — магнитная и ольфакторная (обонятельная). В настоящее время ученые активно ищут органы магниторецепции, которые могут служить птицам внутренним компасом. По одной версии, у птиц в сетчатке есть определенные фоторецепторы, которые могут видеть магнитное поле. Было доказано, что чувствительность к магнитному полю завязана на зрение. Считается, что сетчатка содержит светочувствительные белки-криптохромы, которые под воздействием света и магнитного поля могут по-разному возбуждаться в зависимости от ориентации силовых линий поля.
Второй механизм предполагает, что у птиц в надклювье есть магниточувствительный орган: 15 лет назад там были найдены клетки, содержащие большое количество оксида железа.
Ученые предположили, что это и есть искомый магниторецептор, соединенный с мозгом тройничным нервом.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые под руководством Кишкинева ловили камышовок на биологической станции Рыбачий (Куршская коса, Калининградская область) весной, когда птицы летят на север. По данным кольцевания, биологи знают, что эти птицы должны лететь для гнездования либо в Прибалтику, либо в северо-западную часть России (в Ленинградскую область, Карелию), либо на юг Финляндии.
Пойманных птиц самолетом привезли в Москву, и часть из них была прооперирована: одной половине камышовок перерезали тройничный нерв, а другой произвели такой же надрез клюва, но без перерезания нерва.
Это делалось для того, чтобы исключить влияние на навигацию птиц самого факта операции на клюве.
Чтобы узнать, как повлияет операция на навигацию птиц, их привезли на биостанцию МГУ под Звенигородом, но выпускать их не пришлось. Для изучения миграционного поведения птиц давно разработан метод с клеткой Эмлена. Она представляет собой конус с сеткой наверху, через который птица может видеть звезды.
В сезон миграции птицу сажают в круглую клетку, у нее начинается миграционный «драйв»: она начинает прыгать и оставлять на стенках конуса следы в том направлении, куда ей надо лететь по природному зову.
Эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Plos One, показал, что птицы с перерезанным нервом не чувствовали, что их перевезли, — они продолжали ориентироваться на северо-восток, считая, что они по-прежнему в Калининградской области.
А ложнооперированные птицы поняли, что находятся за тысячу километров от места поимки, и скомпенсировали направление с северо-восточного на северо-западное. Ученые считают, что перерезанный нерв передает в мозг птицы некоторую информацию, скорее всего по магнитному полю, о ее текущем местоположении на поверхности Земли.
Но, чтобы знать свое местоположение, птице либо надо иметь «сетку» магнитного поля Земли, либо знать характер его изменения по долготе и широте. «Мне кажется, вариант с сеткой очень сложный, ведь природа всегда выбирает менее точные, но простые механизмы. Скорее всего, птицы чувствуют, что при перемещении напряженность поля слишком растет, и при превышении некоторого порога, который генетически задан,
у птицы включается «аварийный план». Вместо режима «лететь на северо-восток» ее бортовой компьютер переключается в режим «лететь на северо-запад», — пояснил автор исследования.
Ученые отмечают, что сами магнитные рецепторы в надклювье до сих пор не найдены; более того, исследования показали, что железосодержащие клетки являются не нервными, а макрофагами, потребляющими бактерий. И такие клетки найдены не только в клюве, но и в других тканях.
«Мы предполагаем, что наши результаты указывают именно на использование магнитной информации для навигации у данного вида птиц (тростниковые камышовки), а возможно, и у других воробьиных мигрантов. Наше исследование является важным шагом в понимании нейрофизиологических механизмов, лежащих в основе навигации у птиц», — считает Кишкинев. После эксперимента птиц из обеих групп выпустили на волю. Но что же с ними стало после опытов орнитологов?
Ученые считают, что если ориентацию в клетках Эмлена считать отражением ориентации в природе, то прооперированные птицы полетели на северо-восток и, вероятно, остановились там, где нет гнездящихся тростниковых камышовок. Вряд ли они погибли, но партнера для гнездования, скорее всего, не нашли. Где эти птицы зимовали и смогли ли они вернуться на следующий год в район гнездования, неизвестно. Ложнооперированные птицы, скорее всего, прилетели в район гнездования и нормально отгнездились.