Птичий компас

Как мы уже отмечали в главе 1, наша планета представляет собой гигантский магнит с магнитным полем, влияние которого распространяется от внутреннего ядра в космос на тысячи километров. Этот намагниченный «пузырь», «магнитосфера», защищает все живое на Земле, потому что без него солнечный ветер – поток высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем, – давно бы уничтожил нашу атмосферу. И в отличие от магнетизма обычного стержневого магнита, поле Земли меняется с течением времени, потому что его источником является расплавленное железное ядро Земли. Точно описать происхождение этого магнетизма довольно сложно, но обычно его объясняют через эффект «динамо-машины», который заключается в том, что электрические токи, порожденные циркуляцией жидких металлов в земной коре, в свою очередь, генерируют магнитное поле.

Так, жизнь на Земле обязана своим существованием этому защитному магнитному экрану. Но его польза для живых существ этим не ограничивается; ученые уже более века знают, что многие виды развили оригинальные способы ее использования. Так же как моряки используют магнитное поле Земли в течение тысяч лет, чтобы перейти океаны, многие другие обитатели Земли, в том числе морские и наземные млекопитающие, птицы (подобные нашей малиновке) и насекомые, в течение миллионов лет развили чувство, которое обнаруживает магнитное поле Земли, чтобы использовать его для навигации.

Самые ранние свидетельства о такой способности были представлены российским зоологом Александром фон Миддендорфом (1815–1894), который записывал места и даты прибытия нескольких видов перелетных птиц. На основании этих данных он нанес на карту ряд кривых, которые он назвал «изопиптезы» (линии одновременного прилета). По этой карте, отражавшей направления прилета птиц, он обнаружил тенденцию «сближения линий к северу», в направлении Северного магнитного полюса. Когда он опубликовал свои выводы в 1850 году, он предположил, что перелетные птицы ориентируются по магнитному полю Земли, используя его как «воздушные мореплаватели», которые могут перемещаться «несмотря на ветер, погоду, ночь и облачность» [6].

Большинство других биологов XIX века относились к этим выводом скептически. Парадоксально, что даже те ученые, которые были готовы принять более диковинные псевдонаучные явления вроде паранормальной активности – а многие видные ученые конца XIX века действительно их признавали, – не могли поверить, что магнитное поле влияет на жизнь. К примеру, Джозеф Ястров, американский психолог и исследователь психологии, в июле 1886 года опубликовал письмо в журнале Science, озаглавленное «Существование магнитной чувствительности». Он описал эксперименты, которые провел с целью проверки, могут ли люди так или иначе чувствовать магнитное поле, но сообщил, что вообще не обнаружил какой-либо чувствительности.

Тем не менее если вы оставите Ястрова с его мыслями позади и пойдете дальше, то в XX веке вы сможете найти работу Генри Йигли, американского физика, проводившего исследования для войск связи армии США во время Второй мировой войны. Навигация птиц представляла интерес для военных, так как почтовых голубей по-прежнему использовали для передачи сообщений и авиационные инженеры надеялись узнать об их навигационных способностях. Тем не менее, как именно птицам удавалось находить свой путь домой столь безошибочно, так и оставалось загадкой. Йигли разработал теорию о том, что почтовые голуби чувствуют как вращение Земли, так и ее магнитное поле. Это, по его словам, позволяет создавать «навигационную сеть» в птичьем мозге, давая ему координаты широты и долготы. Он даже проверил свою теорию, присоединив небольшие магниты к крыльям десяти голубей и немагнитных медных полосок того же веса – к крыльям десяти других. Восемь из десяти птиц с медными полосками, прикрепленными к крыльям, нашли свой путь домой, но только одному из десяти голубей с магнитами удалось вернуться в гнездо. Йигли пришел к выводу, что птицы используют для ориентирования магнитную навигационную чувствительность, которая могла быть нарушена прикрепленными магнитами [7].

Хотя результаты эксперимента Йигли были первоначально отклонены как надуманные, некоторые исследователи также не ставили под сомнение тот факт, что многие животные обладают чувствительностью к магнитному полю Земли и это позволяет им остро чувствовать направление. Морские черепахи, например, могут вернуться к пляжу, на котором родились, через тысячи километров от места кормежки в океане без каких-либо визуальных ориентиров; и исследователи показали, что навигационное чувство снижается, если к их головам прикрепить мощные магниты. В 1997 году команда из Университета Окленда в Новой Зеландии опубликовала исследование в журнале Nature с предположением, что радужная форель использует клетки магнитных рецепторов, расположенных в носу [8]. Если это подтвердится, это будет первый пример вида, который способен «унюхать» направление магнитного поля Земли! Микробы используют магнитное поле Земли, чтобы ориентироваться в мутной воде; и даже организмы, которые не мигрируют, такие как растения, по всей видимости, сохранили чувство магниторецепции.

Способность животных к обнаружению магнитного поля Земли больше не вызывает сомнений. По-прежнему тайной остается лишь то, как они это делают, не в последнюю очередь потому, что магнитное поле Земли является чрезвычайно слабым и вряд ли может влиять на какие-либо химические реакции в организме. Есть две основные теории, и обе, вероятно, будут верны для разных видов животных. Первая состоит в том, что магнитная чувствительность функционирует по принципу обычного магнитного компаса, а вторая – в том, что магниторецепция сродни «химическому компасу».

Первая теория – о том, что в той или иной форме обычный механизм компаса находится где-то в теле животного, была подкреплена открытием крошечных кристаллов магнетита, природного минерала оксида железа, у многих животных и микроорганизмов, что, вероятно, и обеспечивает их магнитную чувствительность. Например, бактерии, которые используют магнитную чувствительность для того, чтобы ориентироваться в мутных морских отложениях, часто содержат продолговатые кристаллы магнетита.

К концу 1970 года магнетит был обнаружен в телах различных видов животных, способных к навигации по магнитному полю Земли. Примечательно, что магнетит был найден внутри нейронов в верхней части клюва самых известных птичьих навигаторов – почтовых голубей [9]. Предположительно нейроны реагируют на магнитные сигналы, улавливаемые кристаллами магнетита, а затем посылают сигнал в мозг животного. Более поздние исследования показали, что голуби были дезориентированы и утрачивали способность отслеживать геомагнитное поле, когда маленькие магниты были прикреплены к верхним частям их клювов, где эти богатые магнетитом нейроны, по-видимому, и расположены. Казалось, что источник животной магниторецепции наконец-то удалось локализовать [10].

Тем не менее пришлось снова вернуться к исходной точке в 2012 году, когда еще одна работа была опубликована в Nature. Она описывала подробное 3D-изучение клюва голубя с использованием метода МРТ. Исследование показало, что магнетит в клетках клюва голубя почти наверняка не имеет ничего общего с магниторецепцией. На самом деле богатые железом клетки, называемые макрофагами, участвуют в выработке иммунитета к патогенам, но, насколько известно, не влияют на чувствительность к магнитному полю [11].

И вот как раз сейчас наступает самый подходящий момент для того, чтобы вернуться к выдающемуся немецкому орнитологу Вольфгангу Вильчко, с которым мы познакомились в главе 1. Интерес Вильчко к птичьей навигации разгорелся в 1958 году, когда он присоединился к исследовательской группе во Франкфурте под руководством орнитолога Фрица Меркеля. Меркель был одним из немногих ученых, которые в то время изучали магнитную чувствительность животных. Один из его учеников, Ганс Фромм, уже показал, что некоторые птицы могут ориентироваться внутри пустых закрытых помещений. Это доказывало, что их навигационные способности не были основаны на визуальных ориентирах. Фромм предположил два возможных механизма: либо птицы получали какие-то радиосигналы от звезд, либо же они могли чувствовать магнитное поле Земли. Вольфганг Вильчко склонялся ко второй версии.

Осенью 1963 года Вильчко начал проводить эксперименты с европейскими малиновками, которые, как вы помните, обычно мигрируют между Северной Европой и Северной Африкой. Он поместил малиновок, пойманных в середине миграции, внутрь специальных камер, защищенных от магнитного излучения. Затем он подвергал птиц воздействию слабого искусственного статического магнитного поля, генерируемого устройством под названием «катушка Гельмгольца», которое может имитировать геомагнитное поле, но силу и направление которого можно изменять. Он обнаружил, что птицы, отловленные во время миграции, осенью или весной становились беспокойными и группировались с той стороны камеры, которая совпадала с направлением искусственного поля. После двух лет кропотливых усилий, в 1965 году, он опубликовал результаты, демонстрирующие, что птицы чувствительны к направлению наведенного поля и, соответственно, как он полагал, могут аналогично обнаруживать и магнитное поле Земли.

Эти эксперименты придали больший авторитет идее птичьей магниторецепции и дали толчок дальнейшим исследованиям. Но в то же время никто не имел ни малейшего представления, как это чувство работает: как чрезвычайно слабое магнитное поле Земли действительно может влиять на органы животных? Ученые не могли даже договориться о том, где в теле животных расположен чувствительный орган, отвечающий за магниторецепцию. Даже после того, как кристаллы магнетита были найдены у некоторых видов животных, подтверждая идею работы механизма обычного магнитного компаса, навигационная способность малиновки оставалась загадкой, потому что в ее теле магнетит обнаружен не был. Чувствительность малиновки также имеет некоторые необъяснимые особенности, которые не согласуются с принципом работы магнитного компаса; например, удивительно то, что птицы теряли способность, когда им завязывали глаза, указывая на то, что они должны «видеть» магнитное поле Земли. Но как животные могут видеть магнитное поле?

В 1972 году Вильчко (Вольфганг к тому времени стал работать в команде со своей женой Розвитой) обнаружили, что компас малиновки отличается от всех ранее изученных. Обычный компас имеет намагниченную иглу, один конец которой (ее южный полюс) притягивается к Северному магнитному полюсу Земли, а обратный конец – к Южному. Но есть и другой вид компаса, который не делает различий между магнитными полюсами. Такой компас, как вы помните из главы 1, называется инклинометром, он указывает на то, какой полюс находится ближе, и показывает, удаляетесь вы от полюса или приближаетесь к нему, но не указывает, к какому именно. Одним из способов получения такого рода информации является измерение угла между силовыми линиями магнитного поля и поверхностью Земли (рис. 6.1). Этот угол магнитного наклонения (inclination angle – отсюда и название для такого рода компаса) является почти вертикальным (указывает на землю) близко к полюсам и параллельно земле на экваторе. Между экватором и полюсами магнитные силовые линии проходят под острым углом к поверхности, достигая 90° на ближайшем полюсе. Таким образом, любое устройство, которое измеряет этот угол, может выступать в качестве инклинометра и обеспечивать информацию о направлениях.

Рис. 6.1. Линии магнитного поля Земли и угол магнитного наклонения

В своих экспериментах в 1972 году Вильчко поместили птиц в защищенную от геомагнитного поля камеру и подвергли их воздействию искусственного магнитного поля. Что отличает этот эксперимент от предыдущих, так это то, что они поменяли полярность, повернув магнит на 180°, но это не оказало никакого влияния на поведение птиц: они ориентируются по отношению к ближайшему магнитному полюсу, каким бы он ни оказался, поэтому их чувствительность нельзя объяснять принципом обычного магнитного компаса. Исследование 1972 года показало, что магниторецепция малиновки работает по принципу инклинометра. Но как именно она работает, так и осталось загадкой.

Затем в 1974 году Вольфганг и Розвита были приглашены в Корнелльский университет в США американским экспертом по миграции птиц Стивом Эмленом. В 1960 году он разработал вместе со своим отцом Джоном, также весьма уважаемым орнитологом, специальную камеру для птиц, которая известна как воронка Эмлена. Воронка имеет форму перевернутого конуса со штемпельной подушечкой на дне и промокательной бумагой на внутренних наклоненных сторонах (рис. 6.2). Когда птица подпрыгивает или пытается взобраться по наклонной стенке, она оставляет видимые следы, которые дают информацию о предпочтительном направлении, в котором бы она полетела, если бы смогла выбраться. Среди видов птиц, которых изучали Вильчко в Корнельском университете, был индиговый овсянковый кардинал, небольшая североамериканская певчая птица, которая, как и европейская малиновка, мигрирует с помощью внутреннего компаса. Результаты годичного изучения поведения этой птички внутри воронки Эмлена были опубликованы в 1976 году [12]. Было установлено, что индиговый овсянковый кардинал, несомненно, как и малиновка, может обнаруживать геомагнитное поле. Вольфганг Вильчко считает, что эта первая публикация о корнельских исследованиях стала настоящим прорывом для его команды, потому что она развеяла все сомнения в том, что мигрирующие птицы имеют встроенный магнитный компас, и привлекла внимание многих ведущих орнитологов мира.

Рис. 6.2. Воронка Эмлена

Конечно, никто в середине 1970-х годов не имел понятия, как именно работает биологический магнитный компас. Однако, как мы видели в главе 1, в том же году, в котором Вильчко и Стивен Эмлен опубликовали свою работу, немецкий химик Клаус Шультен предложил объяснение химического механизма, который связывает свет с магниторецепцией. Окончив Гарвард, Шультен с докторской степенью в области химической физики вернулся в Европу, где получил должность в Институте биофизической химии Макса Планка в Геттингене. Там он заинтересовался возможностью электронов, генерируемых в быстрой триплетной реакции под воздействием света, становиться квантово-запутанными. Его расчеты показали, что если запутанность действительно участвует в химических реакциях, то на скорость этих реакций должно влиять внешнее магнитное поле, и предложил способ доказательства своей теории.

Поскольку Шультен свободно говорил о своей новой идее, он заработал в Институте Макса Планка репутацию сумасшедшего. Его проблема заключалась в том, что он был физиком-теоретиком, который работал с бумагой, ручкой и компьютером, а не химиком. Не будучи практикующим химиком, он просто не мог надеть лабораторный халат и собственноручно провести эксперимент, который доказал бы его идеи. Таким образом, он был в положении, знакомом многим теоретикам, которым в голову пришла отличная идея. Им нужно найти дружески настроенного экспериментатора, готового взять тайм-аут в своем напряженном графике работы в лаборатории, чтобы проверить теорию, которая, как правило, оказывается неверной. Шультену не везло, он никак не мог убедить кого-либо из коллег-химиков опробовать свою идею, потому что никто из них не считал, что его эксперимент имеет хоть какие-то шансы на успех.

Источником этого коллективного скептицизма, как потом выяснил Шультен, был руководитель лаборатории Института Губерт Старк. В конце концов Шультен набрался смелости поговорить со Старком с глазу на глаз и найти наконец корни этого укоренившегося скептицизма: оказалось, Старк уже проводил подобный эксперимент и не обнаружил никакого влияния магнитного поля. Шультен был поражен. Казалось, что его гипотезу могла постигнуть участь, описанная эволюционным биологом Томасом Гексли: «Уродливый факт способен погубить прекрасную гипотезу».

Поблагодарив Старка за проведение эксперимента, удрученный Шультен собирался было покинуть свой пост, но потом вернулся и попросил разрешения посмотреть на разочаровывающие данные. Когда Старк показал ему материалы, настроение Шультена внезапно поднялось. Он заметил что-то, что пропустил Старк: небольшое, но значимое отклонение в данных, которое он и предсказывал. Он сказал, что это было «именно то, чего я ожидал, и поэтому я был очень рад, что я увидел это. Катастрофа превратилась в счастливый момент, потому что я знал, что искать. А Старк не знал» [13].

Шультен немедленно засел за работу, которая обещала стать настоящим научным прорывом. Но вскоре он получил еще один шок. За чашечкой кофе с коллегой Марией-Элизабет Мишель-Байерле на конференции в Техническом университете Мюнхена он выяснил, что Мишель-Байерле провела точно такой же эксперимент. Это поставило Шультена в этически затруднительное положение. Он мог рассекретить свое открытие и потенциально подсказать Мишель-Байерле срочно вернуться в Мюнхен, чтобы написать свою собственную работу, которая сделает его публикацию бессмысленной; или он мог бы извиниться и быстро поехать обратно в Геттинген, чтобы записать свои собственные результаты. Но если бы он сбежал, не говоря ни слова, а затем опубликовал работу первым, Мишель-Байерле могла бы впоследствии обвинить его в том, что он украл ее идею. Он вспоминает свои мысли: «Если я сейчас не скажу, что я проводил аналогичные исследования, то она может сказать, что я пошел домой, чтобы сделать эксперимент» [14]. В конце концов Шультен признался Мишель-Байерле, что он проделал аналогичную работу. Оба ученых остались до окончания конференции, а затем вернулись каждый к себе домой, чтобы написать свои собственные работы (работа Шультена появилась чуть раньше), описывающие открытия влияния квантовой запутанности на химические реакции.

В работе Шультена [15] 1976 года содержалось предположение о том, что квантовая запутанность влияет на скорость необычных быстрых триплетных реакций, сделанное на основании исследований в лаборатории Макса Планка; но его новаторская работа также содержала экспериментальные данные Старка, которые ясно показали, что химическая реакция была чувствительна к воздействию магнитных полей. С двумя большими результатами «2 в 1» многие ученые были бы удовлетворены, но Шультен, еще не достигший 30, обладал безрассудством молодости и был готов лезть на рожон и дальше. Изучив работы Вильчко по миграциям малиновки, где была поставлена задача нахождения правдоподобного химического механизма биологического компаса, он понял, что его вращающиеся электроны могли бы обеспечить такой механизм; и в статье 1978 года он предположил, что птичий компас зависит от механизма взаимодействия пар квантово-запутанных частиц.

В то время вряд ли кто-то воспринял эту идею всерьез. Коллеги Шультена из Института Макса Планка считали ее просто еще одной из его сумасшедших теорий, и редакторы Science, ведущего научного журнала, куда он отправил статью в первую очередь, были столь же мало впечатлены, написав: «Менее смелый ученый отправил бы это в мусорную корзину» [16]. Шультен описывает свою реакцию: «Я почесал голову и подумал: это либо отличная идея, либо полная чушь! Я решил, что это отличная идея, и быстро опубликовал ее в одном немецком журнале!» [17]. Но на данном этапе большинство ученых из тех, которые вообще об этом узнали, поместили теорию Шультена в один ряд с псевдонаучными и паранормальными объяснениями магниторецепции.

Прежде чем мы сможем увидеть, как работы Шультена и Вильчко помогают объяснить нахождение птицами своего пути вокруг земного шара, необходимо вернуться к загадочному квантовому миру и внимательно рассмотреть явление запутанности, которое мы вкратце описывали в главе 1 этой книги. Возможно, вы помните, что запутанность настолько удивительна, что даже Эйнштейн настаивал, будто бы она не может быть правильной. Но сначала мы должны познакомить вас с еще одной неотъемлемой составляющей квантового мира – спином.