птицы видят магнитное поле
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.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Как птицы видят магнитное поле Земли
Известно, что птицы могут ощущают магнитные поля, если доступны волны света определенной длины. В частности, исследования показали, что птичья магниторецепция, похоже, зависит от синего света. Этот факт подтверждает, что для птиц механизм обнаружения магнитных линий является визуальным и основан на криптохромах, которые могут обнаруживать поля из-за квантовой когерентности. Чтобы найти эти криптохромы, две команды биологов приступили к работе. Исследователи из Университета Лунда в Швеции изучали зябликов-зебра, а исследователи из Университета Карла фон Оссицкого Ольденбурга в Германии изучали европейскую зарянку.
Результаты исследования
Команда университета Лунда измерила экспрессию генов трех криптохром, Cry1, Cry2 и Cry4, в мозгу, мышцах и глазах зябликов. Их гипотеза заключалась в том, что криптохромы, связанные с магниторецепцией, должны поддерживать постоянное восприятие магнитного поля в течение суток. Они обнаружили, что, как и ожидалось, циркадные ритмы криптохром Cry1 и Cry2 колебались в течении дня, в то время как Cry4 был активен постоянно, что делает его наиболее вероятным кандидатом, ответственным за магниторецепцию. Этот вывод был поддержан немецкими исследователями, изучающими зарянок, которые получили точно такой же результат.
Как оказалось, криптохром Cry4 кластеризуется в области сетчатки, которая получает много света, что имеет смысл для светозависимой магниторецепции. Европейская зарянка увеличивает экспрессию Cry4 во время миграционного сезона, по сравнению с немигрирующими птицами. Сейчас обе группы ученых предупреждают, что требуется больше исследований, прежде чем Cry4 можно будет официально объявить белком, ответственным за магниторецепцию у птиц.
Как птица видит магнитное поле
Так что именно видит птица во время полета, когда она корректирует свой курс по магнитному полю Земли? По мнению исследователей теоретической и вычислительной биофизики из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн, благодаря белку Cry4 автоматически накладывается «фильтр» из магнитных линий над полем зрения птицы — как показано на этом рисунке.
Исследование зябликов было опубликовано в Journal of the Royal Society Interface, а исследование зарянок было опубликовано в Current Biology.
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.
Схема эксперимента с камышевками
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.
Странное квантовое чутье помогает птицам чувствовать магнитное поле Земли
Увидеть наш мир глазами перелетной птицы было бы немного жутковато. Нечто в их зрительной системе позволяет «видеть» магнитное поле нашей планеты – хитрая комбинация квантовой физики и биохимии, которая помогает им перемещаться на огромные расстояния.
В начале 2021 года ученые Токийского университета впервые наблюдали реакцию, связанную с талантом птиц и других существ определять направление на полюса Земли. С помощью микроскопа, чувствительного к слабым вспышкам света, команда наблюдала за активностью криптохромов – светочувствительных фоторецепторов в мозгу – и их динамической реакцией на колебания магнитного поля. Криптохромы есть в клетках многих животных и участвуют в регуляции циркадных ритмов.
Исследователи окрасили человеческие криптохромы во флуоресцентную краску и пропускали через них разночастотные магнитные поля. Каждый раз при прохождении магнитного поля свечение снижалось на 3,5 % – этого хватает, чтобы установить прямую корреляцию. Выходил причудливый квантовый эффект, как если бы реакция шла непосредственно на изменение света. Это чистый квантово-механический процесс, влияющий на химическую активность на клеточном уровне. Принято считать, что люди не способны видеть магнитные поля, но это исследование дает повод полагать, что на неком бессознательном уровне мы на самом деле вполне способны считывать магнетизм Земли.
Все сводится к природному свойству электронов. Правильно расположенные электроны вокруг атома можно заставить двигаться при слабом магнитном поле, подобном тому, которое окружает нашу планету. Свободный радикал – это электрон без пары во внешней оболочке атома. Иногда эти «холостяцкие» электроны принимают за ведомого другой атом. Эти двое остаются непарными, но траектория их вращения начинает совпадать, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Такую корреляцию нельзя объяснить просто физическими связями, это чисто квантовое влияние, которое Альберт Эйнштейн называл «странным».
Ученые пришли к выводу, что в эксперименте с флуоресцирующими клетками провал в свечении стал следствием генерации свободных пар радикалов. Даже слабые магнитные поля оказались способны косвенно воздействовать на биологические процессы. Конечно, птицы – не единственные, кто зависит от магнитосферы плаенты. Рыбы, черви, насекомые и некоторые млекопитающие имеют схожие способности. А на нас магнитное поле Земли может воздействовать даже в когнитивном плане. Все это заставляет задуматься, какие еще законы биологии вытекают из глубин фундаментальной физики.
У птиц нашли способность «видеть» магнитную карту
Перелетные птицы могут «видеть» магнитное поле Земли и ориентироваться по нему во время миграций, выяснили британские ученые. Они провели эксперимент с тростниковыми камышовками (Acrocephalus scirpaceus), сообщает Current Biology.
Камышовки каждый год летают на зимовку из Европы в Африку, в область к югу от Сахары. Ученые поймали взрослых птиц, уже совершивших несколько перелетов, и некоторое время держали их в неволе.
Затем птиц выпустили на свободу в Австрии. При этом ученые создали «поддельные» магнитные сигнатуры, которые соответствовали области в России, лежащей в сотнях километров от привычного пути камышовок.
Птицы могли определить свое истинное местоположение по визуальным ориентирам, звукам, свету, звездному небу. Но они выбирали направление, соответствующее поддельному магнитному полю. Если бы камышовки действительно находились в России, то выбранный ими путь помог бы им вернуться на обычный маршрут миграции.
Ученые заключили, что птицы способны фиксировать магнитное поле, даже если оно лежит далеко за пределами их естественных коридоров миграции. Благодаря этому они понимают, куда лететь, даже в совершенно незнакомой области. Эксперимент был проведен только с камышовками. Но, скорее всего, природный «навигатор» есть и у остальных перелетных птиц.
Ранее стало известно, что пение птиц делает человека счастливым. Эффект сохраняется, даже если слушать пение в записи.