Компас наклонения

Идея о том, что животные могут использовать в навигации геомагнитное поле, активно обсуждалась в XIX веке. Российский зоолог и путешественник Александр Миддендорф (1815–1894) высказал такое предположение в 1855 году; затем, в 1882-м, никому не известный француз по фамилии Вигье, живший в Алжире, исследовал возможности использования животными для ориентирования магнитного наклонения и напряженности магнитного поля. Он прозорливо описал гипотетический эксперимент, в котором к голубям можно было бы прикрепить магнитные или немагнитные металлические бруски, чтобы проверить, как это скажется на их способности находить обратную дорогу к дому.

Но эта идея не укоренилась, и научное сообщество по большей части не обращало внимания на гипотезу магнитной навигации до самых 1960-х годов. К тому времени появился небольшой, но устойчивый поток открытий, которые заставили до тех пор скептически настроенных исследователей вернуться к этой теме. Все больше становилось данных о чувствительности к магнитным полям поразительно разных животных, в том числе термитов, мух, акул и улиток, а вскоре к этому списку также добавились медоносные пчелы и птицы.

Первые свидетельства, позволявшие предположить, что пчелы могут чувствовать магнетизм, были получены в эксперименте, в котором естественное магнитное поле вокруг улья подавлялось системой электромагнитных обмоток. При этом направление, о котором сообщал виляющий танец пчел-разведчиков, чуть заметно изменялось. Еще интереснее было то открытие, что казавшиеся дезориентированными танцы, которые исполняли пчелы, лишенные всех небесных ориентиров (как солнца, так и «Е-векторов»), на самом деле следовали некой закономерности: они по большей части указывали на направления, соответствующие четырем главным румбам магнитного компаса. При отключении окружающего улей магнитного поля этот любопытный «бессмысленный» рисунок пропадал.

Медоносные пчелы явно способны воспринимать магнитное поле Земли, но, возможно, не используют это чувство в навигации, по меньшей мере непосредственно. Более вероятно, что они используют регулярные ежедневные изменения напряженности геомагнитного поля, происходящие около восхода и заката солнца, для калибровки внутренних часов, которые управляют их солнечным компасом. Возможно также, что так поступают и другие животные. Кроме того, магнитное чувство пчел помогает им строить ульи с регулярными массивами ячеек. Пока что неясно, используют ли они магнитную информацию для навигации, когда небо покрывается облаками и их солнечный компас выходит из строя.

Свидетельства наличия магнитного чувства у птиц начали появляться в 1960-х годах благодаря новаторским работам Фридриха Меркеля и Вольфганга Вилчко. Но самый революционный результат был получен в важнейшем эксперименте, который провели в 1971 году Вольфганг Вилчко и его жена Росвита. Они поместили перелетных зарянок в восьмиугольную клетку с восемью насестами, равномерно распределенными по ее периметру. Затем они стали воздействовать на птиц, находившихся в состоянии Zugunruhe (это очаровательное немецкое слово означает беспокойство, которое птицы демонстрируют перед самым сезонным перелетом), магнитными полями с разными характеристиками и отмечать, на какие из насестов они садились. Целью этого эксперимента было определить, какие именно параметры магнитного поля влияют на поведение птиц – его напряженность, наклонение или полярность.

Супруги Вилчко последовательно и систематически меняли эти параметры на противоположные в разных сочетаниях. Результаты эксперимента оказались весьма удивительными. Птицы выбирали направление в зависимости не от полярности поля, а от его наклонения. Таким образом, они могли найти направление на ближайший магнитный полюс, но были неспособны отличить юг от севера. То есть их компас был совершенно не похож на тот, который использует человек. Однако это не означает, что они были способны лететь только на юг или на север: откалибровав свой магнитный компас, они могли прокладывать курс в любом направлении по своему выбору.

Такого рода компас наклонения предположительно должен хорошо работать в средних и высоких широтах, где угол наклонения достаточно велик и птице легко его заметить. Однако там, где силовые линии магнитного поля становятся горизонтальными, как это происходит вблизи экватора, его показания становятся неоднозначными, и именно это и доказали Вилчко. Когда они включали горизонтальное магнитное поле, зарянки понятия не имели, куда лететь, и теряли ориентацию. Из этого открытия можно сделать важные выводы. Оно означает, что птицы, перелетающие из Северного полушария в Южное (и обратно), не могут пользоваться своим магнитным компасом при приближении к магнитному экватору.

Результаты супругов Вилчко были с тех пор воспроизведены во многих других лабораториях и считаются одним из самых важных открытий в истории исследования бионавигации.

Компас наклонения был обнаружен у 20 разных видов птиц (а также у многих других животных) и вполне может быть даром, которым обладают все пернатые. У некоторых перелетных птиц он, по-видимому, является основным механизмом ориентации в дневное время, хотя его калибровка производится по поляризационным рисункам солнечного света. Птицы, совершающие ночные перелеты, также могут использовать компас наклонения, который они калибруют по азимуту солнца в сумерках, – эта методика позволяет им сохранять прямой курс, даже при пересечении экватора. Но точность, которую обеспечивает компас наклонения, остается предметом некоторых споров. Для попадания в целевую область малых размеров при дальних перелетах – например, остров, расположенный посреди океана, – одного этого механизма, несомненно, недостаточно, так как такой компас не способен предупреждать о боковом смещении относительно курса.

По мере публикации результатов все новых и новых исследований становится все яснее, что органы чувств, работающие в качестве магнитного компаса, – далеко не редкость. Помимо птиц и рифовых рыб магнитные компасы, по-видимому, также есть у самых разнообразных беспозвоночных, в том числе, например, дрозофил и жуков.

* * *

Горбатые киты  совершают дальние переходы от мест летней кормежки в холодных, но богатых пищей водах вокруг Антарктиды до теплых тропических вод центральных частей Тихого и Атлантического океанов, где самки производят на свет детенышей. Дальность таких путешествий может превышать 8000 километров.

Еще поразительнее точность их навигации. В проведенном недавно исследовании со слежением горбатые киты пересекали Тихий океан и Южную Атлантику, следуя прямым как стрела курсом, часто по нескольку суток подряд. Они явно могли вносить поправки на воздействие поперечных течений и, в одном случае, пересекавшего их путь тропического циклона, который должен быть неприятным событием даже для крупного кита. Такие достижения впечатляют, хотя никто не знает, какие ориентиры используют киты, а проводить с ними какие-либо эксперименты кроме отслеживания очень трудно, как по практическим, так и по этическим соображениям.

Возможно, киты используют магнитные ориентиры, и некоторые исследователи считают тот факт, что они выбрасываются на берег – иногда даже сотнями, – свидетельством их чувствительности к магнитным полям. Ученые давно бьются над загадкой таких «массовых выбрасываний», которые часто приводят к гибели участвующих в них особей.

Предлагалось множество возможных объяснений этого явления, в том числе возмущающее воздействие громких подводных шумов, порожденных деятельностью человека. Однако на Восточном побережье США киты, по-видимому, в основном выбрасываются на берег в местах с относительно низкой напряженностью магнитного поля, так что возможно, что в их навигационной системе играют какую-то роль градиенты напряженности. Следуя аналогичной логике, другие ученые предположили, что недавние выбрасывания кашалотов в южной части Северного моря могли быть вызваны мощной солнечной бурей, которая вызвала возмущения в магнитном поле Земли.

Существует, однако, и множество других объяснений. Возможно, киты используют для сохранения курса солнце, луну или даже звезды: они весьма часто высовывают голову из воды, как будто оглядываясь (по-английски такое поведение называют словом «spy-hopping»). Также имеются данные, что они любят посещать так называемые подводные горы, и не исключено, что эти элементы рельефа могут служить им навигационными ориентирами. Кроме того, могут играть свою роль терпеливое слушание, эхолокация, обоняние и, возможно, даже чувствительность к гравитационным градиентам.