Из нового выпуска рубрики «Шнобелевская премия — это серьезно» вы узнаете о том, что и как помогает организмам путешествовать: Млечный путь — скарабеям, магнитное поле — бабочкам, а запах — антилопам гну.
Мы с детства знаем, что многие животные регулярно предпринимают длительные путешествия из одной точки мира в другую: осенью в небе летят перелетные птицы, рыба идет на нерест, северные олени мигрируют из тундры в тайгу и обратно в зависимости от времени года. Они пролетают, проплывают и проходят тысячи километров, зачастую — по одним и тем же маршрутами, не сбиваясь с дороги. Задумывались ли вы когда-нибудь, как они ориентируются?
Именно этим вопросом и занимались ученые, ставшие лауреатами Шнобелевской премии 2013 года в номинации «Биология/астрономия». Группа исследователей из Лундского университета (Швеция), а также Университета Претории и Университета Витватерсранда (Южно-Африканская Республика) внесла свой вклад в копилку человеческих знаний о навигационных «инструментах» животных. Внимание биологов привлекли жуки скарабеи вида Scarabaeus satyrus: эти насекомые, хоть и не совершают длительных путешествий, способны уверенно катить шар из навоза по прямой траектории почти в полной темноте. Ученые решили, что скарабеи ориентируются по звездам. Вообще, это умение распространено в животном мире (это делают, например, тюлени и некоторые птицы), но вот среди насекомых оно ранее не наблюдалось.
Для проверки гипотезы биологам пришлось провести целых три эксперимента. Они построили круглый манеж диаметром три метра, огородили его бортом высотой в один метр, а пол посыпали песком. Сверху манеж был открыт — чтобы жуки видели небо. Когда скарабеям ничего не мешало, их путь из центра манежа до барьера был равен в среднем 207 сантиметрам (самое короткое расстояние — радиус манежа, 150 сантиметров). А вот когда жукам закрывали обзор крошечным картонным козырьком (он ограничивал обзор сверху — прямо перед собой насекомые могли смотреть абсолютно свободно), скарабеи «накручивали» по манежу в среднем 476 сантиметров.
Во втором эксперименте условия ужесточили: манеж стал меньше (диаметр — два метра), но его приподняли над землей так, чтобы жуки не видели кроны окружающих деревьев, приборы экспериментаторов, камеры и прочие потенциальные ориентиры, а барьер обили черной тканью. Сами биологи также ушли из поля зрения насекомых. Ученые провели наблюдения в разных режимах — с козырьками, без козырьков и в полной темноте — и убедились, что время, требующееся жуку на переход от центра манежу к бортику, зависит от траектории движения скарабея, а не от скорости (она у всех оказалась примерно одинаковой). Траектории же сильно отличались: шедшие в темноте или одетые в козырьки жуки шли по маршрутам, сильно похожим на клубки спутанных ниток, а те, кто видел звездное небо над головой, бежали по маршрутам с небольшими изгибами. Играла роль и степень освещенности: при полной Луне жукам в среднем требовались 21,4 секунды (плюс-минус 4 секунды), чтобы добежать до цели. В безлунную, но звездную ночь это время составляло около 40 секунд (плюс-минус 15 секунд). А вот жуки в «кепочках» путешествовали по манежу примерно 124 секунды (плюс-минус полминуты).
На этой стадии изысканий биологам стало ясно, что скарабеи действительно ориентируются по звездам. Но что именно служит им ориентиром? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые и жуки поехали в планетарий Йоханнесбурга (Южно-Африканская Республика). На 18-метровый купол этого планетария можно вывести изображение примерно четырех тысяч звезд и отдельно — проекцию Млечного Пути. Жуков испытывали под «небом» в пяти режимах: полном (все звезды и Млечный Путь); только с Млечным Путем; со всеми звездами за исключением 18 самых ярких; только с 18 самыми яркими звездами; наконец, с выключенными звездами и Млечным Путем. Многочисленные пробежки подтвердили: основным ориентиром для скарабеев служит именно Млечный Путь. Без него они также способны прийти в нужную точку, но время в дороге существенно возрастает.
Хотя исследователи довольно давно изучают, как животные ориентируются по звездам, на некоторые вопросы они пока не знают ответа. Например, многие птицы при длительных перелетах пересекают экватор — а значит, картина звездного неба для них постепенно меняется. В Северном и Южном полушариях наблюдателю виден разный набор созвездий — так, находясь в той же Южно-Африканской Республике, вы не найдете на небе привычных Большой и Малой медведиц, Кассиопеи или Андромеды, зато обнаружите, например, Скорпиона, Феникса, Голубя, Журавля, Южный Крест и Павлина. На данный момент неизвестно, как именно птицы «переключаются» между разными режимами навигации в зависимости от времени года или полушария. Также непонятно, способны ли они определять свою широту и долготу — а если способны, то как именно они это делают.
Но, конечно, звездное небо — не единственный инструмент ориентации на местности для животных. Эрик Варрант из Лундского университета (один из авторов работы про скарабеев) и его коллеги в 2018 году сообщили, что ночные бабочки вида Agrotis infusa в своих тысячекилометровых перелетах ориентируются по магнитному полю Земли. Раньше такая система навигации была зафиксирована только у дневных бабочек-монархов. Каждую весну Agrotis infusa покидают юго-восточные районы Австралии и летят в пещеры австралийских Альп, где пережидают жаркий сезон. «Когда мы начали это исследование, мы были уверены, что бабочки для навигации по время перелетов используют исключительно небесные ориентиры, такие как звезды и Луна, — рассказывает Варрант. — Но, как выяснилось, это не так. Мы были очень удивлены, когда узнали, что эти бабочки могут чувствовать магнитное поле Земли — совсем как птицы, мигрирующие по ночам».
Биологи соорудили для бабочек специальный симулятор: насекомые могли как видеть знакомые им географические ориентиры, так и ощущать искусственно созданное магнитное поле. Когда поле было ориентировано так же, как в жизни, бабочки летели в нужном направлении. А когда магнитное поле разворачивали, и его направление входило в конфликт с ландшафтом, Agrotis infusa теряли ориентацию на местности через несколько минут.
Но, конечно, не все всегда так сложно. Относительно простая навигация по визуальным ориентирам (рекам, горам, деревьям) также встречается в животном мире — особенно во время небольших переходов, например с одной стороны горного перевала на другую. Еще один способ находить верную дорогу — обоняние. Например, рыбы лососевых пород ориентируется по запахам в реках, чтобы найти места для нереста и отложить икру — там же, где появились на свет сами. А антилопы гну в национальном парке Серенгети (Австралия) ищут более зеленые пастбища по запаху дождя. Не так давно биологи обнаружили, что обоняние играет важную роль и при перелетах птиц — так к ориентированию по звездному небу и магнитному полю добавился еще один инструмент.
В предыдущих экспериментах ученые исследовали перемещение птиц, нарушая магнитное поле или ограничивая их обоняние. Оказывалось, что способность ощущать запахи важнее — без нее птицы не могли найти места гнездования, в то время как лишение их способности ориентироваться по магнитному полю не влияло на результаты перелета. Эти опыты критиковались, так как, во-первых, птицы помещались в искусственную для них обстановку, а во-вторых, скептики замечали: отсутствие обоняния может лишать птиц не способности находить дорогу, а мотивации к ее поиску.
В последних опытах авторы устранили недостатки предыдущих экспериментов. В качестве подопытных выступили буревестники: биологи надели на три десятка птиц, перемещавшихся в районе Балеарских островов (над Средиземным морем), GPS-датчики, а также закапали им в нос сульфат цинка, чтобы временно лишить обоняния. Еще одной группе птиц закрепили на теле небольшие магниты, чтобы сбивать их с «магнитного курса», а третью партию буревестников использовали как контрольную группу. Всех участников эксперимента отпустили на свободу: птицы продолжали искать пищу и возвращаться к гнездам. Сульфат цинка и магниты нисколько им не мешали.
Различия обнаружились, когда птицы стали совершать длительные перелеты между островами и побережьем Испании. Буревестники с магнитами и контрольная группа летели как обычно, а вот лишенные обоняния птицы двигались в нужном направлении, но по странной запутанной траектории. Ученые сравнили их с туристами в лесу, которые в общих чертах представляют свой маршрут, но постоянно от него отклоняются, сверяются с компасом и корректируют направление. Когда в поле зрения появлялся берег, птицы двигались нормально. Так что ученые пришли к выводу: в данном случае основной навигационный инструментом буревестников — все-таки обоняние, а не магнитное поле. К слову, в 2019 году появились первые данные о том, что магнитное поле Земли способен ощущать и человек.
Так что исследование шнобелевских лауреатов 2013 года в двойной номинации «Биология/астрономия» еще раз показало: несмотря на достаточно большой объем информации о навигационных системах животных, в этой области остается еще очень много неизвестного.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
