Дэвид Барри - Супернавигаторы. О чудесах навигации в животном мире

В 2007 году появилось сообщение, что чувствительные окончания нервных клеток голубиного клюва содержат магнетит и еще один магнитный материал [429] Fleissner, G., Stahl, B., Thalau, P., Falkenberg, G., & Fleissner, G. (2007). ‘A novel concept of Fe-mineral-based magnetoreception: histological and physicochemical data from the upper beak of homing pigeons’, Naturwissenschaften, 94 (8). P. 631–642. . Поскольку эту часть организма голубя обслуживает всего один нерв — тройничный, — ученые предположили, что магнитная информация должна поступать в мозг птицы именно по этому каналу. Эту гипотезу подкреплял тот факт, что голуби, обученные обнаруживать сильные магнитные поля, теряли эту способность после перерезания тройничного нерва [430] Mora, C. V., Davison, M., Wild, J. M., & Walker, M. M. (2004). ‘Magnetoreception and its trigeminal mediation in the homing pigeon’, Nature, 432 (7016). P. 508. . Несколько лет спустя обнаружилось, что некоторые участки мозга зарянки реагируют на быстрые изменения магнитного поля, а в отсутствие поля остаются неактивными. После перерезания тройничного нерва активность этих участков мозга значительно снизилась.

В свете этих открытий теория о том, что частицы магнетита, имеющиеся в птичьих клювах, действительно находятся в основе механизма магниторецепции, казалась правдоподобной. Но в 2012 году выяснилось, что обнаружение частиц магнетита в клювах голубей было ошибочным. Они оказались совершенно другими объектами — иммунными клетками, которые называются макрофагами [431] Treiber, C. D., Salzer, M. C., Riegler, J., Edelman, N., Sugar, C., Breuss, M., … & Shaw, J. (2012). ‘Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons’, Nature, 484 (7394). P. 367. . Были и другие непонятные факты. Некоторые виды перелетных птиц, мигрирующие по ночам, вполне способны делать это с перерезанным тройничным нервом [432] Zapka, M., Heyers, D., Hein, C. M., Engels, S., Schneider, N. L., Hans, J., … & Mouritsen, H. (2009). ‘Visual but not trigeminal mediation of magnetic compass information in a migratory bird’, Nature, 461 (7268). P. 1274. , а почтовым голубям необходим для нахождения дороги к дому не тройничный, а обонятельный нерв [433] Gagliardo, A., Ioalè, P., Savini, M., & Wild, J. M. (2006). ‘Having the nerve to home: trigeminal magnetoreceptor versus olfactory mediation of homing in pigeons’, Journal of Experimental Biology, 209 (15). P. 2888–2892. . С другой стороны, тростниковая камышевка не способна учесть перемещение на 1000 километров на восток (см. главу 19), если ей перерезать глазной нерв — ветвь тройничного нерва [434] Kishkinev, D., Chernetsov, N., Heyers, D., & Mouritsen, H. (2013). ‘Migratory reed warblers need intact trigeminal nerves to correct for a 1,000 km eastward displacement’, PLoS One, 8 (6), e65847. . А сильные магнитные импульсы, которые должны сбивать с толку магнетитные магниторецепторы, действительно нарушают ориентацию взрослых (но не молодых) воробьинообразных птиц, мигрирующих по ночам [435] Holland, R. A., & Helm, B. (2013). ‘A strong magnetic pulse affects the precision of departure direction of naturally migrating adult but not juvenile birds’, Journal of The Royal Society Interface, 10 (81), 20121047. .

Хенрик Моуритсен считает, что «наиболее вероятная функция связанного с тройничным нервом магнитного чувства» — это обнаружение крупных изменений напряженности и/или наклонения магнитного поля для приблизительного определения местоположения птицы. Но как именно работает этот механизм, по-прежнему неясно [436] Подробный обзор этой темы см.: Mouritsen, H. (2015). ‘Magnetoreception in birds and its use for long-distance migration’, Sturkie’s Avian Physiology. P. 113–133. , и данные одного недавнего эксперимента [437] Wu, L. Q., & Dickman, J. D. (2012). ‘Neural correlates of a magnetic sense’, Science, 336 (6084). P. 1054–1057. позволяют предположить, что в магниторецепции также может играть некоторую роль расположенный в ухе птицы рецептор гравитации , который называется лагеной. Таким образом, ситуация остается чрезвычайно неустойчивой, и, если у вас уже кружится голова, вы в этом не виноваты.

Хотя наши знания о роли магнетита по-прежнему остаются во многом неопределенными, зато начинает формироваться общепринятое мнение относительно магнитного компасного чувства.

Уже многие годы известно, что способность тритонов и птиц использовать магнитный компас зависит от наличия света. Еще в 1978 году Клаус Шультен [438] Schulten, K., Swenberg, C. E., & Weller, A. (1978). ‘A biomagnetic sensory mechanism based on magnetic field modulated coherent electron spin motion’, Zeitschrift für Physikalische Chemie, 111 (1). P. 1–5. предположил, что ключевым элементом этого процесса могут быть фотохимические реакции в светочувствительных молекулах. А в 2000 году было высказано и предположение о том, в какой именно молекуле могут происходить такие реакции, — это криптохром. Интерес к новой теории возник почти мгновенно.

Молекулы криптохрома встречаются у многих растений и животных; они участвуют в управлении внутренними часами и ростом организма. Центральным элементом гипотезы светозависимого компаса является образование «радикальных пар» в результате переноса электрона, происходящее в этих молекулах под воздействием света [439] Подробный обзор данных по радикальным парам см.: Hore, P. J., and Henrik Mouritsen (2016). ‘The radical-pair mechanism of magnetoreception’, Annual Review of Biophysics, 45. P. 299–344. .

Основная идея этой теории состоит в том, что радикальные пары ведут себя по-разному в зависимости от ориентации молекул, к которым они принадлежат, относительно магнитного поля Земли. Чрезвычайно тонкие внутриатомные процессы, которые порождает это различие, могут вызывать последовательность других событий — «каскад сигналов», — который в конце концов приводит к возникновению нервного импульса. Если происходит достаточное количество таких событий, животное может ощутить состояние окружающего его магнитного поля.

Может показаться странным, что такой светозависимый компас используется многими птицами — например, теми же зарянками, — совершающими перелеты по ночам, но криптохромный механизм, по-видимому, способен эффективно работать даже при очень слабом освещении. Криптохром имеется в глазах птиц, и, если теория радикальных пар справедлива, форма магнитного поля Земли может накладываться на обычное поле зрения птицы — приблизительно аналогично индикаторам на лобовом стекле самолета или нашлемном щитке летчика. Может быть, птицы буквально видят форму окружающего их магнитного поля.

Одним из ведущих исследователей гипотезы радикальных пар является Питер Хор, профессор химии Оксфордского университета. На протяжении нескольких лет он работает совместно с Моуритсеном, причем каждый из них привносит в эту работу знания из своей области: Моуритсен — специалист по поведенческим и нейрофизиологическим аспектам бионавигации, а Хор, будучи химиком, обладает глубокими знаниями свойств бирадикальных реакций.

Хор работает в уютном кабинете с видом на зеленые задворки северной части Оксфорда, в окружении забитых книгами шкафов и кип научных статей. Он человек мягкий, скромный и очень аккуратный в высказываниях. Однако он посвятил всю свою научную карьеру химии радикальных пар и стал ведущим специалистом в том, что касается возможности (или невозможности) реализации биологического компаса на их основе.