Усики с циркадными часами

В 1990-х годах Сандра Перес (из Аризонского университета), опираясь на предыдущие работы фон Фриша и Венера, решила выяснить, использует ли монарх солнечный компас, как это делают медоносные пчелы и муравьи-бегунки. Она использовала так называемую методику «сдвига часов» (clock-shift): одну группу монархов держали в помещении, в котором свет включали и выключали так, чтобы создалось впечатление, что световой день начинается и заканчивается на шесть часов позже естественного. Вторая контрольная группа также находилась в помещении, но не подвергалась никаким сдвигам часов, а третья состояла из пойманных в дикой природе бабочек, которых вообще не запирали.

Перес и ее энергичные коллеги выпускали бабочек по одной и оценивали их направление при помощи ручного компаса, бегая рядом с ними. Сравнив затем средние направления трех групп, они выяснили, что бабочки, подвергавшиеся сдвигу часов, летели на западо-северо-запад, а все бабочки из контрольных групп – в обычном направлении, на юго-юго-запад.

Именно этого и следовало ожидать, если бабочки используют солнечный компас с поправкой на время. Перес отметила также, что монархи, по-видимому, способны удерживать направление при наличии облачности. Поэтому она предположила, что у них есть некий запасной «неастрономический» компас, возможно использующий магнитное поле Земли.

Несколько лет спустя Хенрик Моуритсен, ведущий исследователь бионавигации, работающий в Ольденбургском университете в Германии, и его коллега Барри Фрост из Университета Куинс в Кингстоне, в канадской провинции Онтарио, придумали способ слежения за ориентацией насекомых в полете с более высокой точностью – и гораздо меньшим количеством беготни. Они привязывали бабочек внутри своего рода имитатора полета, что позволяло им отслеживать и регистрировать направление их полета до четырех часов подряд (что соответствует перелету на расстояние около 65 километров).

Моуритсен и Фрост применили сдвиг часов к двум группам бабочек: у одной группы часы «спешили», а у другой «опаздывали» на шесть часов. Бабочки контрольной группы устойчиво направлялись, более или менее в соответствии с результатами Перес, на юго-запад. Более того, среднее направление замечательно точно соответствовало маршруту, который в конце концов привел бы их к месту назначения в Мексике.

Ориентация двух групп со сдвинутыми часами также была в высшей степени однородной: «спешащие» летели на юго-восток, а «опаздывающие» – на северо-запад. Величина различий в направлении хорошо соответствовала предсказаниям, сделанным на основе изменений азимута солнца, что убедительно свидетельствует об использовании бабочками солнечного компаса с поправкой на время.

Стив Репперт и его коллеги с медицинского факультета Массачусетского университета провели впоследствии серию экспериментов, которые показали, что монархи реагируют не только на положение солнца в небе, но, подобно медоносным пчелам и муравьям-бегункам, на Е-векторы поляризованного света. Чтобы учитывать изменения положения солнца в течение дня, бабочкам – как и муравьям в пустыне и медоносным пчелам – нужны какие-то часы. По-видимому, этот механизм зависит от информации, получаемой через усики, потому что насекомое с отрезанными или закрашенными усиками теряет способность вносить поправки на время. Правда, пока что неясно, как именно он работает.

Стенли Хайнце и Репперт нашли в центральном комплексе головного мозга монарха клетки, настроенные на определенные углы Е-векторов, очень похожие на те, которые до этого были обнаружены у саранчи. Поэтому возможно, что монархи обладают способностью ориентироваться по узорам Е-векторов, даже когда сам солнечный диск скрыт облаками. Поскольку рисунок Е-векторов может быть неоднозначным, бабочкам нужно уметь не только отслеживать азимут солнца, но и измерять его высоту в небе. Для этого процесса, вероятно, требуются сигналы от вторых часов, расположенных в мозге, хотя их природа также еще не установлена.

Та система, которую я описывал до сих пор, уже получается необычайно сложной и замысловатой, но она, возможно, имеет и еще одно измерение. Как подозревала Перес, у монарха могут иметься еще и магнитные навигационные приборы.

Патрик Гуэрра и Репперт поставили на имитаторе полета опыты, в которых монархов подвергали воздействию искусственного магнитного поля в рассеянном свете. Хотя в этом эксперименте участвовало лишь небольшое количество бабочек, его результаты заставляют предположить, что у монарха может иметься компас наклонения. Гуэрра предполагает, что основу такого компаса составляют светочувствительные рецепторы в усиках бабочки и он служит запасным механизмом, когда астрономические ориентиры недоступны.

Но с этим согласны не все. Моуритсен и Фрост, исследовавшие в своих имитаторах полета 140 бабочек, не нашли никаких свидетельств ориентации по магнитному полю. В более позднем эксперименте с перемещением они измеряли среднее направление полета мигрирующих монархов – сперва в Онтарио, потом в Калгари, после перевозки на 2500 километров к западу. Из Онтарио бабочки в основном летели в верном направлении к Мексике (на юго-запад), как и в более ранних исследованиях. Однако из Калгари они летели по аналогичному маршруту, который в конце концов привел бы их к Тихому океану, если бы им удалось преодолеть Скалистые горы. По-видимому, они не смогли внести в свой курс поправку на перемещение на запад.

Кроме того, Моуритсен и Фрост тщательно исследовали большое количество данных по повторно пойманным меченым бабочкам, накопленных в течение многих лет. Они заключили, что бабочки попросту следуют общим курсом на юго-запад, который определяет их солнечный компас. Однако тут, кажется, играет роль и другой фактор. Элементы рельефа – например, высокая стена Скалистых гор (перелететь через которые бабочки не могут) и берег Мексиканского залива (вдоль которого они обычно летят, предпочитая не пересекать открытые акватории) – образуют физические барьеры, которые, подобно воронке, направляют устойчивые потоки бабочек в сторону Техаса и Мексики.

Наконец, есть еще одна великая загадка. Хотя разнообразные механизмы, которые я описал, вполне могут позволить бабочкам попадать к месту назначения с точностью до нескольких сотен километров, пока что неясно, как именно им удается находить свои места зимовки в горах центральной части Мексики. Один из возможных ответов на этот вопрос состоит в том, что на заключительных этапах перелета бабочки могут ориентироваться по какому-то запаховому сигналу – возможно, по запаху тел своих мертвых сородичей, которые покрывают землю в их высокогорных убежищах.

Ежегодная миграция североамериканской данаиды монарха – одно из самых замечательных чудес природы, но будущие поколения, может быть, уже не смогут увидеть этого чуда. Дело не только в том, что леса, в которых зимуют эти животные, сокращаются из-за незаконной вырубки. Бабочкам угрожают и многие другие опасности, в том числе безрассудное применение пестицидов и гербицидов, которые либо убивают их самих, либо уничтожают пищевые растения, которыми они кормятся. Так что у ученых, возможно, остается совсем немного времени, чтобы найти последний недостающий фрагмент этой головоломки.

* * *

Жители Мальдивских островов в западной части Индийского океана знают, что в октябре к ним прилетят стрекозы. Самое распространенное из этих насекомых (Pantala flavescens) они называют попросту «октябрьским летуном»; их появление предвещает наступление сезона северо-восточных муссонов. Но откуда они берутся?

Чарльз Андерсон, подробно изучавший это явление, считает, что большинство этих стрекоз (длина которых составляет всего пять сантиметров) прилетает из Южной Индии или со Шри-Ланки, а Мальдивы служат им только для временной остановки в пути. Пункт их назначения, по-видимому, находится в Восточной Африке, где сезонные дожди создают идеальные условия для их потомства. Возможно даже, что их потомство летит еще дальше, на юг Африки. Давно известно, что эти насекомые могут пролетать над сушей до 4000 километров, но теперь оказывается, что они способны пролететь по меньшей мере 3500 километров над океаном.

Как же насекомые – даже так хорошо умеющие летать – могут преодолевать такие огромные расстояния? Ответ на этот вопрос, по-видимому, заключается в том, что они используют попутные муссонные воздушные течения на больших высотах и питаются мелкими насекомыми, которых несут те же потоки быстро перемещающегося воздуха. По всей вероятности, это путешествие совершают миллионы стрекоз, которые затем размножаются в разных частях Африки, а их потомство возвращается в Индию, после чего весь цикл начинается заново. В таком случае суммарная длина перелета туда и обратно может доходить до 18 000 километров. Перед этим достижением меркнет даже перелет монархов на 7000 километров, тем более что стрекозам, в отличие от монархов, приходится совершать долгий перелет через океан.

Результаты более свежих исследований, основанных на измерении содержания дейтерия в воде, найденной в телах стрекоз, не противоречат гипотезе Андерсона. Более того, из них следует, что маршрут стрекоз, прилетающих на Мальдивы, оказывается даже длиннее, чем предполагал Андерсон: возможно, их путешествие начинается на севере Индии или в Непале, а может быть, даже за Гималаями.

Хотя с «октябрьским летуном», по-видимому, сравниться не может никто, летающие насекомые вообще проявляют поразительные способности к миграции. По дальности перелета, соотнесенной с размером тела, самые дальние миграционные маршруты насекомых приблизительно в 20 раз больше, чем у самых крупных птиц. Одна из причин этого состоит в том, что насекомые очень хорошо умеют использовать ветер.