Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
1. Исход, гл. 30, 34-5.
2. Цит. по: Le Guerer A. Scent: The Mysterious and Essential Power of Smell. – N.Y.: Kodadsha America Inc., 1994. – P. 12.
3. Eisner R. Richard Axel: one of the nobility in science // P & S Columbia University College of Physicians and Surgeons, 2005. – Vol. 25: 1.
4. Sell C. S. On the unpredictability of odor // Angewandte Chemie, International Edition (English), 2006. – Vol. 45: 38. – P. 6254–6261.
5. Mori K. and Shepherd G. M. Emerging principles of molecular signal processing by mitral/tufted cells in the olfactory bulb // Seminars in Cell Biology, 1994. – Vol. 5: 1. – P. 65–74.
6. Turin L. The Secret of Scent: Adventures in Perfume and the Science of Smell. – London: Faber & Faber, 2006. – P.4.
7. Turin L. A spectroscopic mechanism for primary olfactory reception // Chemical Senses, 1996. – Vol. 21: 6. – P. 773–791.
8. Turin. The Secret of Scent. – P. 176.
9. Burr C. The Emperor of Scent: A True Story of Perfume and Obsession. – N.Y.: Random House, 2003.
10. Keller A. and Vosshall L. B. A psychophysical test of the vibration theory of olfaction // Nature Neuroscience, 2004. – Vol. 7: 4. – P. 337–338.
11. Franco M. I., Turin L., Mershin A. and Skoulakis E. M. Molecular vibration-sensing component in Drosophila melanogaster olfaction // Proceedings of the National Academy of Science, 2011. – Vol. 108: 9. – P. 3797–3802.
12. Brookes J. C., Hartoutsiou F., Horsfield A. P. and Stoneham A. M. Could humans recognize odor by phonon assisted tunneling? // Physical Review Letters, 2007. – Vol. 98: 3.
Фред Уркухарт родился в 1912 году в Канаде, в городе Торонто. Там он учился в школе, расположенной вблизи рогозовых болот. Он проводил бессчетные часы, наблюдая за насекомыми, особенно за бабочками, населявшими камышовые заросли. Он очень любил раннее лето, когда на болота слетались тысячи монархов, знаменитых североамериканских бабочек с узнаваемой черно-оранжевой раскраской. Монархи остаются здесь на все лето, питаясь местным молочаем, а осенью улетают снова. Фреда всегда интересовал ответ на вопрос: куда же улетают эти бабочки?
Согласно святому Павлу, взрослые со временем отбрасывают все детское. Но только не Фред, который, даже повзрослев, по-прежнему интересовался тем, где зимуют монархи. Изучив зоологию в Университете Торонто и впоследствии став профессором в этой области, он вернулся к своему детскому вопросу. К тому времени он женился на Норе Паттерсон, также зоологе и любительнице бабочек.
Используя классические методы маркировки животных, Фред и Нора попытались раскрыть тайну исчезновения монархов. Задача была не из легких. В то время как метки, прикрепленные к лапкам малиновок или к плавникам китов, держатся крепко, приклеивание метки к хрупким перепончатым крыльям бабочек представляет собой настоящий вызов терпению ученого. Семейная команда экспериментировала с наклейками и липкими метками на крыльях насекомых, но метки отклеивались и падали, а меченые бабочки не могли нормально летать. Это продолжалось вплоть до 1940 года, когда решение было найдено: крошечные клейкие метки, похожие на те, что мы с таким трудом соскребаем с новой стеклянной посуды. Вооружившись специальным устройством, исследователи начали помечать и выпускать сотни бабочек-монархов, каждая из которых теперь имела при себе идентификационный номер и инструкцию, согласной которой нашедшему метку надлежало сообщить об этом «на кафедру зоологии Университета Торонто».
Но на миллионы особей американских монархов приходилось всего два Уркухарта, которые исследовали бабочек таким образом. Пара начала набор волонтеров. К 1950 году они создали сеть из тысяч энтузиастов, которые, в свою очередь, помечали, выпускали, ловили и «переписывали» сотни тысяч бабочек. По мере того как Фред и Нора обновляли карту, на которой отмечались места отлова и освобождения бабочек, постепенно стала вырисовываться следующая картина. Бабочек, выпущенных в Торонто, как правило, находили в южном направлении, на пути, который по диагонали пересекал Соединенные Штаты с северо-востока на юго-запад, проходя через Техас. Однако, несмотря на многочисленные экспедиции, Уркухарты не могли установить конечный пункт зимовья перелетных бабочек, который предположительно находился на юге США.
В конце концов Уркухарты обратили свои взоры южнее, и в 1972 году отчаявшаяся Нора написала о своем проекте в мексиканских газетах. Она обратилась с просьбой к добровольцам сообщать о любых наблюдениях и помочь с маркировкой бабочек. В феврале 1973 года Уркухарты получили письмо от Кеннета C. Брюггера из Мехико, который предлагал свою помощь. Каждый вечер Кен садился за руль своего автофургона и вместе с верной собакой Колой выезжал за город в поисках бабочек. Более чем через год, в апреле 1974 года, он сообщил, что наблюдал множество монархов в горах Сьерра-Мадре в Центральной Мексике. Позже, в конце того же года, Кен сообщил, что видел много бабочек с изорванными крыльями, а также мертвых особей вдоль дорог в горах Сьерра. Нора и Фред с уверенностью ответили, что большие скопления мигрирующих монархов стали жертвами голодных птичьих стай.
Вечером 9 января 1975 года взволнованный Кен позвонил Уркухартам с известием, что он «нашел колонию!.. Миллионы монархов – в вечнозеленых зарослях близ гор». Кен сообщил исследователям, что отправился туда по наводке мексиканских лесорубов, которые утверждали, будто бы видели стаи рыжих бабочек, когда пересекали горы с нагруженными ослами. Тогда в январе 1976 года при поддержке Национального географического общества Нора и Фред собрали экспедицию, чтобы найти и задокументировать таинственное место зимовки монархов, прибывающих в Мексику. На следующий день они отправились в деревню, чтобы совершить оттуда восхождение на «Гору бабочек», на высоту около трех тысяч метров. Такой трудный подъем на большую высоту не был привычным делом для уже немолодой пары (Фреду было 64), и они не были уверены, смогут ли они вообще добраться до вершины. Тем не менее с сердцами, выпрыгивавшими из груди, и с воспоминаниями о ярких бабочках, порхавших в солнечном свете Торонто, они достигли вершины – плато с редкими зарослями можжевельника и остролиста. И там не было никаких бабочек. Разочарованные и изнуренные, они спустились на поляну, заросшую хвойными деревьями, характерными для гор Центральной Мексики, – и именно здесь Фред и Нора наконец-то нашли то, что они искали полжизни: «Мириады бабочек – повсюду. В какой-то умиротворяющей полудреме они облепили ветви деревьев, подобно гирляндам, они окутали стволы деревьев и буквально укрыли землю живым ковром». Пока они стояли затаив дыхание, в восхищении от этого невероятного зрелища, ветка одного из деревьев обломалась, и среди упавших на него бабочек Фред заметил знакомую белую метку с его инструкцией: «на кафедру зоологии Университета Торонто». Эта конкретная бабочка была помечена добровольцем по имени Джим Гилберт из городка Часка, штат Миннесота, расположенного более чем в трех тысячах километров от места, где они находились [1]!
В наши дни путешествия бабочек-монархов считаются ярчайшим примером великих миграций животных. Каждый год в период с сентября по ноябрь миллионы монархов из юго-восточной Канады отправляются на юго-запад и совершают путешествие длиною несколько тысяч километров. Их путь лежит через пустыни, прерии, поля и горы, через географическое «игольное ушко» прохладных речных долин шириной 80 километров между Игл-Пасс и Дель-Рио в Техасе – к вершинам дюжины высоких гор в Центральной Мексике, где они в конце концов находят приют. А весной, после зимовки на прохладных вершинах мексиканских гор, монархи отправляются в обратный путь, к местам, где летом их ожидает огромное количество корма. Самое примечательное, что ни одна отдельно взятая бабочка не проделывает весь этот путь. Они размножаются по пути, так что бабочки, которые возвращаются в Торонто, – это внуки тех монархов, что покинули Канаду осенью.
Как этим насекомым удается перемещаться с такой точностью, что они могут достичь крошечной цели за тысячи километров от места рождения – цели, где ранее бывали только их предки? Это еще одна из тех огромных загадок природы, которые начинают проясняться только сейчас. Как и все мигрирующие животные, бабочки используют различные чувства, включая зрение и обоняние, а также солнечный компас, который помогает корректировать движение по Солнцу в течение дня, по так называемым циркадным часам, биохимическому процессу, присущему всем животным и растениям, который позволяет отслеживать смену дня и ночи в течение суток. Такие часы мы часто называем биологическими или внутренними.
Циркадные часы знакомы нам, например, по собственной усталости, накапливающейся к вечеру, бодрости, которую мы ощущаем утром, а также по тому, как тяжело порой переносим смену часовых поясов при длительном перелете. В последние несколько десятилетий была сделана целая череда увлекательных открытий, проливающих свет на механизм работы этих часов. Одним из наиболее удивительных является тот факт, что испытуемые, которые находятся в изоляции в условиях постоянного освещения, все равно способны поддерживать примерно 24-часовой цикл активности и отдыха, несмотря на отсутствие внешних ориентиров. Кажется, что наши «внутренние» – циркадные – часы жестко запрограммированы. Эти «встроенные» часы, задающие темп всему организму (наше «циркадное чутье»), находятся в головном мозге, а точнее, в гипоталамусе. Несмотря на то что люди в условиях постоянного освещения по-прежнему придерживаются примерно 24-часового цикла, их циркадные часы постепенно сдвигаются относительно реального времени суток, так что их периоды бодрствования и сна не будут синхронны с периодами бодрствования и сна у тех людей, которые не участвуют в эксперименте. Тем не менее при возвращении в условия естественного освещения циркадные часы испытуемых довольно быстро перенастраиваются на фактический цикл дня и ночи в процессе, который получил название «подгонка к суточному ритму».
Солнечный компас бабочек-монархов работает по принципу сравнения высоты Солнца с временем суток – отношения, которое изменяется как с широтой, так и с долготой. Должно быть, у них тоже есть свои биологические часы, которые, как и наши, автоматически подстраиваются под освещенность, чтобы компенсировать изменение во времени восхода и захода Солнца в течение долгой миграции. Но где же у монархов располагаются эти биологические часы?
Как выяснили Уркухарты, бабочки не самые простые животные для исследования; плодовые мушки, о которых мы говорили в предыдущей главе и которые способны учуять и проложить путь сквозь лабиринт, являются гораздо более удобными лабораторными насекомыми, так как они очень быстро размножаются и легко мутируют. Как и мы, плодовые мушки корректируют свои биологические ритмы по циклам смены дня и ночи. В 1998 году генетики обнаружили дрозофил-мутантов, у которых циркадный ритм не зависит от воздействия света [2]. Они выяснили, что мутация произошла в гене, кодирующем белок глаз под названием «криптохром». Подобно белковым каркасам фотосинтезирующих комплексов, которые обеспечивают целостность молекулы хлорофилла (как мы узнали из главы 4), криптохромные белки оборачиваются вокруг молекулы пигмента под названием ФАД (флавинадениндинуклеотид), который поглощает синий свет. Так же как в процессе фотосинтеза, поглощенный свет выбивает электрон из пигмента, что приводит к генерации сигнала, который поступает в мозг мушки, чтобы синхронизировать ее внутренние часы с каждодневной сменой дня и ночи. Мушки-мутанты, обнаруженные в 1998 году, утратили этот белок, так что их биологические часы уже не приспосабливаются к циклической смене дня и ночи: они утратили внутреннее ощущение времени.
Похожие криптохромные пигменты были позже найдены в глазах многих других животных, включая человека, и даже у растений и у фотосинтезирующих микробов, которым они помогают предсказывать время суток, лучше всего подходящее для фотосинтеза. Они могут представлять собой очень древний светочувствительный «датчик», который развился у микробов миллиарды лет назад, чтобы синхронизировать жизнедеятельность клетки с суточными ритмами.
Криптохром также обнаружили и в антеннах бабочек-монархов. Это изначально ставило ученых в тупик: что зрительному пигменту делать в антеннах? Но усики насекомых являются удивительными органами, которые отвечают сразу за несколько чувств, в том числе за обоняние и слух, определение давления воздуха и даже силы тяжести. Могут ли они также отвечать за внутренние часы насекомого? Чтобы проверить эту гипотезу, ученые окрасили усики некоторых бабочек в черный цвет, тем самым предотвращая прием световых сигналов. Они обнаружили, что бабочки с зачерненными антеннами уже не могли подстраивать свой солнечный компас к смене дня и ночи: они утратили циркадное чувство. Ученые предположили, что именно в антеннах бабочки и размещаются биологические часы. Примечательно, что часы в антеннах бабочки могут улавливать свет даже при отделении от насекомого.
Действительно ли криптохром отвечает за подстройку биологических часов монарха? К сожалению, гены бабочек мутируют вовсе не так легко, как гены дрозофил, так что в 2008 году Стивен Репперт и его коллеги из Университета штата Массачусетс осуществили следующий замечательный эксперимент. Команда заменила поврежденный криптохромный ген у дрозофил-мутантов на здоровый ген бабочек-монархов и доказала, что способность синхронизировать внутренние часы со сменой дня и ночи у этих мушек была восстановлена [3]. Если криптохрому здоровых бабочек удалось вернуть плодовым мушкам чувство времени, то весьма вероятно, что он помогает как следует работать и таким важным биологическим часам монархов, которые позволяют долететь от Торонто до Мексики, ни разу не сбившись с пути.
Но какое отношение это все имеет к квантовой механике? Ответ относится к другому аспекту миграции животных, который мы называем «магниторецепция» – способность обнаруживать магнитное поле Земли. Как мы узнали из главы 1, многие существа, в том числе плодовые мушки и бабочки, обладают такой способностью, как магниторецепция. Обладают ею и малиновки, которые стали олицетворением квантовой биологии. К 2008 году стало ясно, что магнитное чувство малиновок как-то связано со светом (подробнее об этом позже), но природа светочувствительных рецепторов была неуловима. Стивен Репперт задался вопросом, может ли криптохром, который отвечает за светочувствительность мух и помогает им настраивать их внутренние часы, также отвечать и за магниторецепцию. Чтобы проверить свою теорию, он провел эксперимент вроде того, что был предпринят Габриэле Герлах, чтобы продемонстрировать обонятельную навигацию у рыб-клоунов (см. главу 5), в котором тестируемое животное вынуждено использовать сенсорные сигналы, чтобы выбрать один из двух путей к пище.
Исследователи обнаружили, что мух можно обучить связывать сладкое вознаграждение с наличием магнитного поля. Когда им предоставлялась возможность выбора лететь в намагниченный или ненамагниченный рукав лабиринта (без пищи, то есть без обонятельных сигналов), они выбирали намагниченный путь. Должно быть, мухи чувствуют магнитное поле. Так принимает ли в этом участие криптохром? Исследователи обнаружили, что дрозофилы-мутанты, у которых криптохрома не хватает, одинаково часто летели в оба рукава, демонстрируя, что криптохром имеет важное значение для их магнитной чувствительности.
В своей работе 2010 года группа Репперта также показала, что мухи сохраняют свою магнитную чувствительность и тогда, когда их криптохромные гены заменяют генами, кодирующими криптохром у бабочек-монархов [4]. Это доказывает, что бабочка-монарх может также использовать криптохром для обнаружения магнитного поля Земли. Работа той же группы ученых в 2014 году показала, что, как и европейская малиновка, с которой мы познакомились в главе 1, бабочка-монарх обладает светочувствительным компасом, который она использует, чтобы найти свой путь от Великих озер до мексиканских гор; и, как и предполагалось, он должен находиться в антеннах [5].
Но каким образом световой пигмент также может обнаруживать невидимое магнитное поле? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к нашей знакомой европейской малиновке.
Войти с помощью соц. сетей: