Туристам хорошо известно, что по Солнцу и наручным часам нетрудно определить, где находится север. Для этого часы поворачивают так, чтобы часовая стрелка указывала на Солнце, тогда биссектриса угла между часовой стрелкой и 12 часами даст направление на север. Объясняется такой способ определения стран света просто. Земля совершает за 24 часа оборот вокруг своей оси; значит, Солнце (имеется в виду его видимое движение по небосводу) за то же время описывает угол в 360, то есть, каждый час проходит дугу в 15°. В Северном полушарии Солнце в 12 часов стоит точно на юге, в Южном-на севере. Часовая стрелка наручных часов вращается вдвое быстрее Солнца, то есть проходит за час угол в 30°, двигаясь в том же направлении, что и Солнце. Следовательно, угол между направлением из центра циферблата на 12 часов и положением часовой стрелки вдвое больше угла между направлениями на Солнце и на юг; следовательно, биссектриса этого угла указывает направление на север.

В мире растений встречаются своего рода наручные биологические часы самых различных конструкций с 24-часовым циклом. Не удивительно поэтому, что и у животных в процессе филогенетического развития вырабатывалась способность ориентироваться по Солнцу. Направления на различные "пункты назначения" животные отсчитывают по отношению к направлению на Солнце. Часы необходимы им для того, чтобы можно было внести поправку на движение Солнца.

По тому же принципу направление север - юг можно установить и по направлению на Луну, однако для этого требуются часы, ход которых согласован с движением Луны. У некоторых животных, как мы уже видели, такие лунные "хронометры" действительно имеются, они используют в качестве опорной линии направление на Луну. Однако ориентация по Луне имеет гораздо меньшее значение, потому что пригодна только в ночные часы либо когда Луна видна на небосводе.

Как пчелы ориентируются во времени и в пространстве

Возвращение к месту обитания

Многочисленные беспозвоночные, обитающие в прибрежных водах, всегда выбирают оптимальное направление для своих миграций. Дорогу домой они находят с помощью компаса, который устроен проще пчелиной буссоли и всегда указывает на берег.

Один из пауков-волков (Аrctosa perita) обитает по берегам озер и рек. Расположенные в три поперечных ряда его восемь глаз, подобно глазам пчелы и некоторых муравьев, обладают способностью воспринимать плоскость поляризации света, что позволяет их обладателю находить дорогу домой, даже если Солнце непосредственно не видно. Брошенный в воду-паук тотчас устремляется по кратчайшему пути к берегу. Если же его перенести на другой берег и бросить в воду, то несчастный паук вскоре скроется из виду, так как и там пойдет по поверхности воды в прежнем направлении к противоположному берегу.

В том, что паук ориентируется по Солнцу, убедиться нетрудно: если его отгородить от Солнца непрозрачным экраном и направить на него с другой стороны солнечные лучи, отраженные от зеркала, то он пойдет в направлении, отличном от прежнего. Поместив паука в условия с искусственным ритмом освещения, можно изменить поправку на видимое движение Солнца, вносимую его биологическими часами.

Своеобразно ориентируется песчаная, или береговая, блоха (Таlitrus saltator). Этот небольшой рачок-бокоплав во множестве встречается на берегах Италии. Рачок зарывается в песок в той части берега, которая расположена выше приливной зоны, и выходит из своего убежища только во второй половине дня. Крохотный землепроходец пускается в путь, который может оказаться весьма неблизким. Несмотря на то, что его размеры едва достигают 1 сантиметра, рачок, поедая выброшенные на берег или принесенные потоками дождевой воды остатки растений и мелких животных, успевает обойти примерно 100 метров.

Незадолго до восхода Солнца рачок, очень чувствительный к пересыханию, должен вернуться назад, чтобы снова зарыться в песок. Дорогу домой он находит по направлению на Солнце, а когда Солнца не видно, по направлению на Луну. Рачки, обитающие на западном берегу Адриатического моря, спасаясь от воды, двигаются на запад, а если их насильно увезти в глубь суши - на восток. Рачки, живущие на восточном берегу Адриатического моря, в аналогичных ситуациях движутся в противоположную сторону. Если рачков, обитающих где-нибудь на восточном берегу, перенести на западный берег, то при выборе направления, в котором им надлежит спасаться бегством, они часто ошибаются.

При постоянных условиях у рачков выбор направления изменялся в циркадном ритме. Для выяснения возможного влияния каких-то чрезвычайно тонких геофизических факторов партию рачков, содержавшихся при постоянных условиях, перевезли из Италии в Аргентину. Выбор направления бегства показал, что внутренние часы рачков по-прежнему показывали среднеевропейское время.

Маленький бокоплав, о котором идет речь, умеет находить дорогу назад, к морскому берегу, по Луне. Если группу рачков накрыть выпуклым стеклом так, чтобы они ничего, кроме неба, не видели, то они соберутся у того края стеклянного колпака, который ближе к морю. Движение Луны по небу не сказывается на выборе рачками правильного направления. Их безошибочный выбор направления объясняется тем, что они вносят поправку на движение Луны, то есть используют для измерения времени не только 24-часовой, но и 24,8-часовой цикл.

Заменив Луну электрическим светом, экспериментаторы обнаружили, что рачки определяют направление к морю именно по светлому диску нашего небесного спутника. Рачки, выдерживаемые в течение двух недель при постоянных условиях, продолжали ориентироваться по Луне.

Реакция возвращения на прежнее место у песчаной блохи более жесткая, чем у пчел и муравьев, у которых важную роль в сборе пищи играет способность гибко изменять направление поисков. Поскольку место сбора пыльцы и нектара изменяется изо дня в день, пчелы и муравьи в конце концов запоминают приметы окружающей их жилище местности, что позволяет им возвращаться к нему с любой стороны. Не удивительно поэтому, что в случае пчел и муравьев речь идет о приобретенной способности ориентироваться, а в случае песчаной блохи - о наследственной способности выбирать направление бегства. Этот вывод подтверждается тем, что рачки, доставленные с восточного берега на западный, пускаются в бегство в ошибочном направлении - не к морю, а в глубь суши.

Были также проведены наблюдения, в которых способность песчаной блохи ориентироваться подвергалась более суровой проверке. В эксперименте участвовали 3 группы песчаных блох, обитавших на участках берега, омывавшихся морем с разных сторон света. Потомство всех трех групп рачков сразу после появления на свет изолировали и выращивали при постоянных условиях. Солнце молодые рачки впервые увидели, когда их всех вместе выпустили на берегу, они устремились к морю в том же направлении, что и их родители.

Поиск пауками-волками и песчаными блохами места, откуда они отправляются за "провизией", напоминает ориентацию пингвинов. Эти медлительные, ходящие вперевалочку птицы излюбленный объект наблюдения орнитологов. Изучать пингвинов действительно очень удобно: их не нужно кольцевать, прикреплять к ним миниатюрные радиопередатчики, преследовать на самолете. Пингвин передвигается по суше крайне медленно, и маршрут его легко проследить по отпечаткам лап на поверхности снега.

Если пингвина, обитающего на берегах Антарктиды, завезти в глубь материка и там выпустить, он всегда начинает двигаться на север. Правда, он редко берет курс на свою колонию, но непременно следует в сторону побережья: близость к воде имеет в жизни пингвинов первостепенное значение, так как питаются они только рыбой, которую ловят в море.

Добравшись до берега, где ему обеспечен прожиточный минимум - ежедневная порция рыбы, пингвин уже с помощью другого механизма принимается искать колонию, из которой был насильственно увезен в глубь материка. Направление на север пингвины определяют, ориентируясь по Солнцу, а поскольку оно перемещается по антарктическому небосклону, пингвины с помощью внутренних часов вносят поправку на видимое движение Солнца.

Если небо полностью затянуто облаками, пингвин семенит то в одну, то в другую сторону, не в состоянии правильно выбрать направление.

Существование у этих птиц внутренних часов получило экспериментальное подтверждение, когда пингвинов с советской научно-исследовательской обсерватории Мирный перевезли за 3500 километров на острова Крозе. По земным масштабам расстояние это относительно невелико, но границы часовых поясов к полюсу сближаются, поэтому местное время на островах Крозе отличается от местного времени на станции Мирный на 6 часов. Разность, о которой мы говорим, относится не к заходам и не к восходам, а к моменту времени, когда Солнце занимает на небосводе заранее заданное положение (например, когда оно видно точно на севере), поскольку за Полярным кругом (как Северным, так и Южным) Солнце летом не опускается за горизонт, а описывает круги по небосводу против часовой стрелки.

Переселение пингвинов из Антарктиды на острова Крозе оказало такое же действие, как описанные выше переселения песчаной блохи: выпущенные на новом месте, пингвины начинали двигаться не на север, а на запад, поскольку их биологические часы все еще показывали старое время. Но стоило экспериментаторам продержать пингвинов три недели под открытым небом, а затем выпустить на волю, и те безошибочно выбрали направление на север. Следовательно, описывая по небосводу круги, Солнце, даже если оно не заходит за горизонт, по-прежнему сдвигает биологические часы, устанавливая их по новому местному времени.

Совершенно ясно, что все перечисленные механизмы позволяют организмам лучше приспособиться к окружающей среде. Хорошим примером экономности природы может служить то, что у тех или иных видов животных сформировались лишь такие типы сложной и точной ориентации, какие необходимы для выживания.

Сезонные миграции птиц

С приближением зимы часть птиц, обитающих в зонах умеренного и холодного климата, улетают на юг. Возвращаются они только весной, когда устанавливается теплая погода. Сигналом, по которому птицы пускаются в путь, служит изменение относительной продолжительности дня и ночи. Но выбор направления полета происходит в первую очередь по ориентирам, видимым на небе, хотя не исключено, что определенную роль играет и ощущаемое птицами магнитное поле Земли.

Мелкие птицы, как правило, летят по ночам, а днем ищут корм. Более крупные птицы предпочитают совершать перелеты днем. Поэтому при выборе направления к месту зимовки им приходится пользоваться разными ориентирами. И в том и в другом случае точность ориентации поразительна: как показали наблюдения, 75% окольцованных малиновок свили гнезда не далее чем в 7 километрах от прошлогодних гнезд.

Наблюдать, как ориентируются перелетные птицы, трудно, поскольку (в отличие от пингвинов) они весьма быстро скрываются из виду, и наблюдатели успевают заметить только, в каком направлении они летят. Густав Крамер решил эту проблему, поставив опыт, который ныне по праву считается классическим. Отловленных перелетных птиц Крамер посадил в клетку, стоявшую под открытым небом, и с наступлением прохладных осенних дней установил за ними постоянное наблюдение. Как только наступила пора перелетов, птицы обнаружили "перелетное оеспокойство": они безостановочно перепархивали в клетке с места на место, но при этом сохраняли определенное направление. В ненастную погоду такого предпочтительного направления не было, но стоило показаться Солнцу, как птицы (а это были дневные мигранты) возобновляли попытки лететь в направлении своих обычных миграций.

Крамеру удалось убедительно доказать роль Солнца и биологических часов в ориентации птиц. Если Солнце закрыть от птиц непрозрачным экраном и с помощью зеркала направить на них солнечные лучи с другой стороны, то менялось и направление полета. При легко осуществимом в лабораторных условиях с помощью искусстве иного цикла свет-темнота сдвиге фазы внутренних часов птиц на 6 часов они усгремлялись на восходе Солнца в направлении, составлявшем с истинным курсом угол в 90°.

Возникает вопрос, какие биологические часы использует организм для своей ориентации и те ли это часы, которые регулируют протекание других процессов его жизнедеятельности?

Скворцов обучили тому, что корм всегда находится к северу от клетки. У птиц, содержавшихся при постоянных условиях, устанавливался ритм активности с периодом 23,5 часа. Через 10-12 дней скворцов выпускали на волю. Выбранное ими направление полета показало, что выработавшийся у скворцов сдвиг фазы на 5-6 часов распространился и на способность ориентироваться в пространстве: вместо того чтобы лететь на север, они отправились на поиски корма на запад. Следовательно, оба циклических процесса регулируются одними и теми же часами.

Другой вопрос: является ли способность ориентироваться по Солнцу результатом обучения или она передается по наследству? Едва вылупившихся птенцов аиста и чирка окольцевали, продержали в неволе до тех пор, пока птицы старшего поколения не улетели, и только тогда выпустили. Следующей весной окольцованных птиц обнаружили в родных местах вместе с собратьями по виду, улетевшими осенью без всякой задержки. Следовательно, способность находить дорогу основана на наследственных механизмах.

С иной ситуацией мы сталкиваемся у птиц, совершающих перелеты ночью. Судя по всему, они ориентируются главным образом по звездам. Видимое движение звезд происходит по своему, звездному времени: звездные сутки составляют 23 часа 56 минут. Следовательно, при движении по таким часам необходимо вносить поправку, которая всего на 4 минуты отличается от периода 24-часового цикла, регулирующего любые другие суточные ритмы. Именно поэтому птицы обращают внимание только на Полярную звезду и еще на несколько звезд, расположенных поблизости от нее. В течение ночи Полярная звезда описывает вокруг северного Полюса мира небольшую окружность и поэтому с достаточной точностью указывает направление на север. Полюс мира это та точка небосвода, на которую указывает земная ось. По самому своему смыслу она неподвижна.

Навигация почтовых голубей

Во всех описанных выше способах ориентации основная проблема состояла в определении одного какого-нибудь направления, и для решения этой проблемы использовались биологические часы и небесные светила. Другая проблема возникает в том случае, когда сначала требуется определить, где находится отправной пункт, и лишь после того, как его местоположение установлено, выбрать оптимальное направление полета. Такого рода деятельность называется навигацией. Весьма искусными навигаторами по праву слывут специально выведенные породы почтовых голубей.

Почтовый голубь, даже если его увезти за 1000 километров, в большинстве случаев летит к привычной голубятне по кратчайшему маршруту. Способностью возвращаться к гнездовьям из незнакомых дальних мест обладают многие птицы.

Механизм навигации пока не выяснен. Некоторые исследователи считают, что птицы наделены способностью определять высоту Солнца над горизонтом в полдень по тому, где оно находится в момент наблюдения, который в свою очередь определяется по внутренним часам. Взяв высоту Солнца, навигатор действительно может определить, где он находится, но неясно, каким образом почтовый голубь успевает установить свое "место" за считанные секунды, и уже совсем трудно понять, каким образом почтовый голубь находит дорогу домой в пасмурную погоду. Исследователи давно утверждали, что какую-то роль в голубиной навигации может играть магнитное поле Земли, и в отдельных опытах, укрепляя на головах почтовых голубей крохотные электромагниты, им удавалось нарушить ориентацию голубей.

Если же на голове голубя укрепляли катушку, по обмотке которой пропускали ток, то при изменении направления тока и, следовательно, создаваемого им электромагнитного поля на обратное птица разворачивалась на 180 градусов и летела в обратную сторону. Все это свидетельствует о том, что птицы не только ощущают интенсивность магнитного поля, но и используют его для ориентации¹.

¹Aмериканскими исследователями были обнаружены в мозге голубя и в теле многих других животных мельчайшие кристаллы ферромагнетиков.

Источник:

• Детари Л., Карцаги В. Биоритмы: пер.с венгерского Ю.А.Данилова, под ред. В.Б.Чернышева, послеслов. Ю.А.Романова. - М., Мир, 1984 (В мире науки и техники)