Берндт Хайнрих - Зима: Секреты выживания растений и животных в самое суровое время года

Весьма показательно, что все виды летяг, которых в мире около 30, ведут ночной образ жизни, а приблизительно из сотни видов дневных беличьих ни один не приспособлен к планирующему полету. То, что никто из дневных млекопитающих не умеет ни летать, ни планировать, вряд ли связано с рационом. Что, если дело в хищниках? Планирующий полет позволяет сэкономить массу энергии для перемещений, но животное оказывается у охотников на виду, к тому же летательные перепонки мешают проворно двигаться (рукокрылые, лучшие летуны среди млекопитающих, по земле перемещаются хуже большинства из них). Может быть, белки стали летать, чтобы экономить энергию, потом перешли на ночной образ жизни, чтобы скрыться от хищников, и тогда им пришлось летать еще больше, потому что шум бегущего по земле в лесу зверька служит наводкой для сов. Тогда получается, что потребность экономить энергию стимулирует ночной образ жизни этих млекопитающих, а ночной образ жизни способствует развитию планирующего и активного полета.

Поддерживая ночной образ жизни, летяги не полагаются на волю слепого случая: они пробуждаются строго после заката благодаря циркадным часам. Это не значит, что им не нужно обращать внимание на световые сигналы, которые дает окружающая среда. С помощью таких сигналов они синхронизируют свои внутренние часы с ежедневным суточным ритмом, так чтобы просыпаться и покидать темные дневные укрытия вскоре после того, как стемнеет снаружи. Тогда откуда мы знаем, становятся ли ночные животные активными после наступления темноты потому, что пришло нужное время , или просто потому, что в это время темно (и наоборот в случае дневных животных)?

Летяги сыграли важную роль в поиске ответа на этот фундаментальный вопрос. Они стали одними из первых млекопитающих, на которых показали, что те способны пробуждаться в правильное время независимо от внешних сигналов. Впервые удивительный механизм хронобиологии южных летяг ( Glaucomys volans ), а потом и почти всех остальных исследованных видов организмов был продемонстрирован в экспериментах сотрудницы Отделения зоологии Висконсинского университета Патриции Де Курси, теперь уже классических.

В исследовании Де Курси участвовало 68 летяг, которых она отловила и вырастила в Висконсине. Летяг держали по одной в клетках с беличьим колесом на велосипедной оси. К оси был присоединен эксцентриковый кулачок, который ненадолго замыкал цепь с микровыключателем в определенной точке на каждом обороте колеса, чтобы оставить отметку на диаграммной ленте, равномерно движущейся со скоростью около 46 сантиметров в день. Таким образом, для последующего анализа получили непрерывную запись, где было отражено и число оборотов, и время, когда крутилось колесо. Многометровый бумажный график нарезали на полоски по дням, распределили по времени и расположили дневные отрезки один под другим – подневная запись простиралась на месяцы. По графикам Де Курси могла за две минуты определить, в какой момент суточного цикла летяга бегала и как соотносилась ее активность в разные дни.

По столбцам из множества расположенных друг над другом суточных графиков исследовательница сразу вполне предсказуемо увидела, что летяги – ночные животные (конечно, если только у них нет возможности спокойно, ничего не опасаясь, сходить в молочное кафе за мороженым). Зверьки начинали бегать вскоре после наступления темноты и бегали до рассвета, кто спорадически, а кто почти постоянно (в зависимости от особи), а с рассветом полностью прекращали бегать до следующей ночи. Некоторые демонстрировали два периода активности: сразу после наступления темноты и незадолго до рассвета.

Этот результат, и теперь и, наверно, даже тогда вполне банальный, был лишь подготовкой к настоящему эксперименту, в ходе которого Де Курси поместила летяг в клетках в условия постоянной темноты. Будут ли летяги бегать в таких условиях постоянно или спорадически? Как оказалось, ни то ни другое. К удивлению исследовательницы, все летяги бегали в колесе примерно тогда же , что и раньше, в соответствии с суточным циклом смены дня и ночи. Иными словами, летяга знает, когда пора просыпаться, поскольку, очевидно, ориентируется по внутренним часам. Однако скептики предполагали, что животные могли реагировать на какой-то неизвестный внешний, или экзогенный, сигнал, связанный с наступлением вечера, а не придерживаться старого режима, опираясь на внутреннее, или эндогенное, чувство времени.

В конце концов Де Курси с ее летягами удалось доказать, что их режим имеет внутренний источник, и немалая ирония состоит в том, что самый веский довод вытекал как раз из небольших погрешностей во времени, которые допускали животные. Так, летяга номер 131 начинала бегать (в полной темноте) в среднем каждые 23 часа 58 минут плюс-минус 4 минуты, а другая в тех же условиях в том же помещении стартовала с запаздыванием на 21 минуту в день, то есть у нее цикл активности составлял 24 часа 21 минуту. Иными словами, при постоянной темноте у одного зверька сутки ежедневно сокращались на 2 минуты, а у другого на 21 минуту росли. Через десять дней бега «в свободном режиме» в полной темноте одна летяга просыпалась за 20 минут до того, как за стенами помещения наставал вечер, а другая опаздывала на 210 минут, то есть разошлась со внешним миром на 3,5 часа. Если бы оба животных ориентировались по экзогенным, или внешним, часам, они бы бегали как по общему сигналу – время у них бы совпадало.

Ход внутренних часов у летяги задают генетические механизмы, но, чтобы определить, когда будет считываться сигнал к началу активности, часы постоянно подстраиваются в соответствии с внешним стимулом. У летяг они синхронизируются со временем наступления темноты. Сегодня известно, что у дневных животных поступающий в глаза свет вызывает в шишковидной железе мозга снижение выработки мелатонина – регулирующего сон гормона, который обычно выделяется в соответствии с определенным ритмом, приблизительно (но не точно) по суточному графику. Поэтому таблетки с мелатонином и помогают перестроиться при смене часовых поясов. Летяге пришлось бы принимать таблетки по утрам. Когда Де Курси вновь ввела в условия содержания животных суточный цикл смены дня и ночи, сбившиеся зверьки, в темноте бегавшие «в свободном режиме», на следующий день вернулись к прежнему графику и стали бегать сразу после наступления темноты. Выходит, обычно летяги перестраивают внутренние часы под действием нормального цикла смены дня и ночи. Внешне кажется, что они просто реагируют непосредственно на темноту и свет, и без экспериментов ничего больше узнать об этом было бы нельзя. Де Курси, конечно, могла бы подождать и проводить наблюдения во время полных солнечных затмений. Но их было бы сложно повторить, так что не удалось бы быстро сделать выводы. Суть эксперимента в том, чтобы искусственно вызвать событие, а затем внимательно наблюдать за результатом.