Дэвид Барри - Супернавигаторы. О чудесах навигации в животном мире

О том, какой интерес вызвала гипотеза радикальных пар, можно судить по тому обстоятельству, что несколько лет назад Хор получил предложение о финансировании своей работы от Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defence Advanced Research Projects Agency, DARPA) — могущественной, но несколько туманной американской государственной организации. Очевидно, в DARPA считают, что когда-нибудь радикальные пары можно будет использовать не только для исследования перемещений животных. Возможно, они даже сыграют роль в разработке высокопроизводительных квантовых суперкомпьютеров, которые в принципе должны быть способны выполнять операции, далеко превосходящие возможности компьютеров нынешних. Хор не стал смотреть в зубы дареному коню и подал составленную вместе с Моуритсеном заявку, по которой они быстро получили весьма крупный грант.

Хотя интерес к этой теме быстро растет, дело пока что продвигается медленно, в основном в связи с множеством практических и теоретических проблем, существующих в этой области. По мнению Хора, это положение вряд ли изменится в ближайшем будущем, хотя он надеется, что со временем сможет — в сотрудничестве с другими учеными — разработать «окончательный эксперимент», который позволит либо опровергнуть, либо доказать криптохромную гипотезу.

Моуритсен разделяет скептицизм Хора относительно вероятности быстрого прогресса. Он стремится собрать «букет данных» из самых разных источников:

Понимание этого магнитного чувства требует понимания всех уровней, от спина единичного электрона до птицы в свободном полете, — и это-то меня и увлекает.

Моуритсен открыл в мозге птицы зону под названием «кластер N», которая получает входящие сигналы от глаз. Это единственная часть мозга, проявляющая повышенную активность во время ориентирования птицы в магнитном поле. Что еще важнее, если кластер N уничтожить, птица теряет магнитное компасное чувство, но сохраняет способность использовать звездный и солнечный компасы [440] 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. . Эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что первичные рецепторы магнитного компаса должны находиться в глазу (а не в клюве) птицы.

Начинает приносить некоторые плоды и работа с генетически модифицированными насекомыми. Было показано, что криптохромы играют важную роль в обнаружении магнитных полей дрозофилами [441] Gegear, R. J., Casselman, A., Waddell, S., & Reppert, S. M. (2008). ‘Cryptochrome mediates light-dependent magnetosensitivity in Drosophila’, Nature, 454 (7207). P. 1014; Gegear, R. J., Foley, L. E., Casselman, A., & Reppert, S. M. (2010). ‘Animal cryptochromes mediate magnetoreception by an unconventional photochemical mechanism’, Nature, 463 (7282). P. 804. . А когда в сетчатке глаза тараканов искусственно экспрессировали криптохромы, аналогичные тем, которые обнаруживают у млекопитающих, удалось заставить этих насекомых изменять направление движения, воздействуя на них вращающимся магнитным полем [442] Bazalova, O., Kvicalova, M., Valkova, T., Slaby, P., Bartos, P., Netusil, R., … & Damulewicz, M. (2016). ‘Cryptochrome 2 mediates directional magnetoreception in cockroaches’, Proceedings of the National Academy of Sciences, 113 (6). P. 1660–1665. .

В основных экспериментах в области магниторецепции позвоночных используются содержащиеся в неволе птицы, которых помещают в клетки Эмлена, а это, как мы уже видели, не нравится некоторым исследователям — например, Анне Гальярдо, — которые предпочитают работать с животными, находящимися на воле (см. главу 19). Моуритсен согласен, что в принципе хорошо бы было ставить эксперименты на птицах в свободном полете, но отмечает, что многие из переменных очень трудно контролировать вне лаборатории. Возможно, однако, что вскоре появится возможность использовать в исследованиях птиц методы, разработанные Нахумом Улановским для регистрации сигналов отдельных клеток мозга летучих мышей (см. главу 24). В таком случае вполне могут появиться чрезвычайно интересные новые результаты.

В магнитной навигации в принципе может быть задействован и еще один механизм — электромагнитная индукция. Вигье рассматривал эту возможность еще в 1882 году, но в последние годы она привлекала гораздо меньше внимания, чем гипотезы магниторецепции с помощью магнетита и криптохромов. Основополагающий принцип, который используется в динамо-машине, состоит в том, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, «индуцируется» электрический ток. Собственно говоря, мы производим электроэнергию именно при помощи процесса электромагнитной индукции [443] В большинстве случаев, но не всегда: например, солнечная электроэнергетика основана на другом принципе. .

Достоверно известно, что некоторые рыбы, в том числе акулы и скаты, способны обнаруживать очень слабые электрические сигналы, по которым они могут выслеживать свою добычу. Для этого они используют электрорецепторные органы, которые называются ампулами Лоренцини, по имени итальянского анатома, открывшего их в XVII веке [444] Стефано Лоренцини (р. ок. 1652). : длинные каналы, заполненные желеобразным веществом, соединяют поры в коже таких рыб с чувствительными клетками, расположенными в глубине их тела.

В течение долгого времени считалось, что электромагнитная индукция может работать только тогда, когда животное окружено средой, в которой легко замкнуть электрическую цепь. Воздух, в отличие от воды, плохо проводит электричество, но сухопутное животное может преодолеть это препятствие, если вся электромагнитная цепь находится внутри его тела. А полукружные каналы внутреннего уха птицы заполнены хорошо проводящей жидкостью, которая как раз может осуществлять эту функцию [445] Jungerman, R. L., & Rosenblum, B. (1980). ‘Magnetic induction for the sensing of magnetic fields by animals — an analysis’, Journal of Theoretical Biology, 87 (1). P. 25–32. .

Недавнее открытие структуры, содержащей частицы магнитного минерала, в волосковых клетках, выстилающих полукружные каналы внутреннего уха, вдохнуло в гипотезу электромагнитной индукции новую жизнь [446] Lauwers, M., Pichler, P., Edelman, N. B., Resch, G. P., Ushakova, L., Salzer, M. C., … & Keays, D. A. (2013). ‘An iron-rich organelle in the cuticular plate of avian hair cells’, Current Biology, 23 (10). P. 924–929. . Идея состоит в том, что в жидкости, циркулирующей в этих органах, может индуцироваться электрический ток, а волосковые клетки могут его регистрировать.

В вопросе о магнитном компасном чувстве на основе электромагнитной индукции гораздо больше неопределенности, чем в двух других гипотезах, но, возможно, он заслуживает более пристального изучения [447] Nordmann, G. C., Hochstoeger, T., & Keays, D. A. (2017). ‘Magnetoreception — a sense without a receptor’, PLoS Biology, 15 (10), e2003234. .

Тунец [448] Речь идет о нескольких видах тунца — обыкновенном, или синем, тунце ( Thunnus thynnus ), тихоокеанском голубом тунце ( Thunnus orientalis ) и австралийском тунце ( Thunnus maccoyii ). — один из самых быстрых и сильных пловцов в море; он способен перемещаться в воде почти так же быстро, как гепард на суше. Эти рыбы пересекают Тихий и Атлантический океаны, путешествуя туда и обратно между местами нереста и нагула, чрезвычайно предсказуемым образом [449] Tawa, A., Ishihara, T., Uematsu, Y., Ono, T., & Ohshimo, S. (2017). ‘Evidence of westward transoceanic migration of Pacific bluefin tuna in the Sea of Japan based on stable isotope analysis’, Marine Biology, 164 (4). P. 94; Block, B. A., et al. (2005). ‘Electronic tagging and population structure of Atlantic bluefin tuna’, Nature 434. P. 1121–1127. . Видимо, они должны быть искусными навигаторами и, возможно, используют для этого магнетизм.