На чувствительные элементы, которые позволяют животным обнаруживать магнитное поле Земли, идет настоящая охота. За последние лет десять эта задача свела вместе ученых, занимающихся квантовой физикой и химией, геофизикой, молекулярной и клеточной биологией, электрофизиологией, нейроанатомией и, разумеется, изучением поведения, но может оказаться, что поиски следует вести в еще более широком диапазоне. Тех, кто в конце концов найдет ответы на связанные с этой темой вопросы, вполне могут ждать Нобелевские премии.

Когда ученые говорят о навигации визуальной, акустической, инерционной или ольфакторной, они весьма хорошо представляют себе, какие сенсорные механизмы задействованы. Они знают, как устроены и функционируют глаза, уши и носы, хотя детали у разных групп животных, разумеется, могут чрезвычайно сильно различаться. Зрением обладают и буревестники, и навозные жуки, но видят они разные вещи; лосось чувствует вкус растворенных в воде химических веществ, которые ни о чем не говорят птицам или бабочкам; лишь немногие животные могут сравниться с летучими мышами в том, что касается особенностей их слуха. Кроме того, ученые хорошо понимают, как именно (по меньшей мере у некоторых животных) нервные сигналы, поступающие от органов чувств, обрабатываются центральной нервной системой – вплоть до закономерностей активации отдельных клеток мозга.

Но в том, что касается геомагнитной навигации, картина остается гораздо более непонятной. Сейчас существуют три радикально разные теории, и любая из них может оказаться верной – а может быть, и все сразу. Кроме того, все еще нельзя исключить, что мы имеем дело с каким-то совершенно иным механизмом, о котором мы до сих пор не имеем никакого представления.

Тема эта настолько сложна и специализированна, что я могу предложить лишь краткую сводку нынешнего положения дел.

Одна из проблем, встающих перед учеными, которых интересует, как животные чувствуют магнитное поле Земли, связана с тем, что это поле легко проникает сквозь живые ткани. Следовательно, магниторецепторы не обязательно должны находиться на поверхности тела животного – как глаз, нос или ухо; они вполне могут быть скрыты глубоко внутри него. Кроме того, они бывают не крупными. Иногда они не сконцентрированы в одном месте: основным элементом такой системы могут быть отдельные клетки, разбросанные по всему организму – буквально от головы до хвоста. Так что на самом деле может не существовать никакой узнаваемой структуры, которую мы могли бы найти.

Но положение не вполне безнадежно. Мы знаем, как реагируют на магнитное поле магнитотаксисные бактерии, и знаем, что они существуют уже давно. Такие бактерии содержат микроскопические цепочки кристаллов магнетита, что позволяет им совершенно пассивно разворачиваться вдоль окружающего их магнитного поля – так же, как разворачивается стрелка компаса. Если способность чувствовать магнитное поле Земли повышает их шансы на выживание и воспроизводство, значит, механизм, основанный на свойствах магнетита, могли унаследовать и многие, а может быть, и все животные. Но может ли он работать в многоклеточном организме?

По-видимому, матрицу из нескольких миллионов клеток, содержащих магнетит, можно было бы использовать для обнаружения малых изменений напряженности магнитного поля Земли. Достоверные свидетельства присутствия магнетита в организме животных получить трудно, потому что образцы тканей чрезвычайно легко загрязнить – это могут сделать даже летающие в воздухе частицы вулканической пыли, – но его находили у насекомых, птиц, рыб и даже в теле человека.

Повсеместное присутствие магнетита позволяет предположить, что он, видимо, выполняет какую-то важную функцию. Например, в брюшке медоносных пчел есть образованные из магнетита постоянные магниты. Они начинают формироваться, когда насекомые еще находятся в стадии личинки, и предположительно приобретают ориентацию, пока те остаются в виде куколок в своих отдельных ячейках, причем эти магниты выстраиваются под прямым углом к поверхности сот. У пчел есть сотни специализированных клеток, расположенных в верхней части их брюшка, которые содержат тысячи отдельных зерен магнетита. Эти клетки входят в состав матрицы, которая, как полагают исследователи, расширяется или сокращается в ответ на изменения окружающего магнитного поля. Кое-кто считает, что этот механизм лежит в основе компаса наклонения пчел.

Форель можно быстро научить получать пищу, прикасаясь носом к подводному объекту, найти который можно только по слабому изменению напряженности окружающего магнитного поля. Эта способность, по-видимому, обеспечивается магнетитом, который содержится в некоторых клетках носа этих рыб; похожие клетки были найдены и у лосося (при этом форель не проявляет чувствительности к изменениям наклонения магнитного поля). Когда акулы учатся находить магнитные объекты и подплывать к ним, они, судя по всему, используют не свою хорошо известную электрочувствительность, а некий отдельный магнитный орган.

В 2007 году появилось сообщение, что чувствительные окончания нервных клеток голубиного клюва содержат магнетит и еще один магнитный материал. Поскольку эту часть организма голубя обслуживает всего один нерв – тройничный, – ученые предположили, что магнитная информация должна поступать в мозг птицы именно по этому каналу. Эту гипотезу подкреплял тот факт, что голуби, обученные обнаруживать сильные магнитные поля, теряли эту способность после перерезания тройничного нерва. Несколько лет спустя обнаружилось, что некоторые участки мозга зарянки реагируют на быстрые изменения магнитного поля, а в отсутствие поля остаются неактивными. После перерезания тройничного нерва активность этих участков мозга значительно снизилась.

В свете этих открытий теория о том, что частицы магнетита, имеющиеся в птичьих клювах, действительно находятся в основе механизма магниторецепции, казалась правдоподобной. Но в 2012 году выяснилось, что обнаружение частиц магнетита в клювах голубей было ошибочным. Они оказались совершенно другими объектами – иммунными клетками, которые называются макрофагами. Были и другие непонятные факты. Некоторые виды перелетных птиц, мигрирующие по ночам, вполне способны делать это с перерезанным тройничным нервом, а почтовым голубям необходим для нахождения дороги к дому не тройничный, а обонятельный нерв. С другой стороны, тростниковая камышевка не способна учесть перемещение на 1000 километров на восток (см. главу 19), если ей перерезать глазной нерв – ветвь тройничного нерва. А сильные магнитные импульсы, которые должны сбивать с толку магнетитные магниторецепторы, действительно нарушают ориентацию взрослых (но не молодых) воробьинообразных птиц, мигрирующих по ночам.

Хенрик Моуритсен считает, что «наиболее вероятная функция связанного с тройничным нервом магнитного чувства» – это обнаружение крупных изменений напряженности и/или наклонения магнитного поля для приблизительного определения местоположения птицы. Но как именно работает этот механизм, по-прежнему неясно, и данные одного недавнего эксперимента позволяют предположить, что в магниторецепции также может играть некоторую роль расположенный в ухе птицы рецептор гравитации, который называется лагеной. Таким образом, ситуация остается чрезвычайно неустойчивой, и, если у вас уже кружится голова, вы в этом не виноваты.

Хотя наши знания о роли магнетита по-прежнему остаются во многом неопределенными, зато начинает формироваться общепринятое мнение относительно магнитного компасного чувства.

Уже многие годы известно, что способность тритонов и птиц использовать магнитный компас зависит от наличия света. Еще в 1978 году Клаус Шультен предположил, что ключевым элементом этого процесса могут быть фотохимические реакции в светочувствительных молекулах. А в 2000 году было высказано и предположение о том, в какой именно молекуле могут происходить такие реакции, – это криптохром. Интерес к новой теории возник почти мгновенно.

Молекулы криптохрома встречаются у многих растений и животных; они участвуют в управлении внутренними часами и ростом организма. Центральным элементом гипотезы светозависимого компаса является образование «радикальных пар» в результате переноса электрона, происходящее в этих молекулах под воздействием света.

Основная идея этой теории состоит в том, что радикальные пары ведут себя по-разному в зависимости от ориентации молекул, к которым они принадлежат, относительно магнитного поля Земли. Чрезвычайно тонкие внутриатомные процессы, которые порождает это различие, могут вызывать последовательность других событий – «каскад сигналов», – который в конце концов приводит к возникновению нервного импульса. Если происходит достаточное количество таких событий, животное может ощутить состояние окружающего его магнитного поля.

Может показаться странным, что такой светозависимый компас используется многими птицами – например, теми же зарянками, – совершающими перелеты по ночам, но криптохромный механизм, по-видимому, способен эффективно работать даже при очень слабом освещении. Криптохром имеется в глазах птиц, и, если теория радикальных пар справедлива, форма магнитного поля Земли может накладываться на обычное поле зрения птицы – приблизительно аналогично индикаторам на лобовом стекле самолета или нашлемном щитке летчика. Может быть, птицы буквально видят форму окружающего их магнитного поля.

Одним из ведущих исследователей гипотезы радикальных пар является Питер Хор, профессор химии Оксфордского университета. На протяжении нескольких лет он работает совместно с Моуритсеном, причем каждый из них привносит в эту работу знания из своей области: Моуритсен – специалист по поведенческим и нейрофизиологическим аспектам бионавигации, а Хор, будучи химиком, обладает глубокими знаниями свойств бирадикальных реакций.

Хор работает в уютном кабинете с видом на зеленые задворки северной части Оксфорда, в окружении забитых книгами шкафов и кип научных статей. Он человек мягкий, скромный и очень аккуратный в высказываниях. Однако он посвятил всю свою научную карьеру химии радикальных пар и стал ведущим специалистом в том, что касается возможности (или невозможности) реализации биологического компаса на их основе.

О том, какой интерес вызвала гипотеза радикальных пар, можно судить по тому обстоятельству, что несколько лет назад Хор получил предложение о финансировании своей работы от Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defence Advanced Research Projects Agency, DARPA) – могущественной, но несколько туманной американской государственной организации. Очевидно, в DARPA считают, что когда-нибудь радикальные пары можно будет использовать не только для исследования перемещений животных. Возможно, они даже сыграют роль в разработке высокопроизводительных квантовых суперкомпьютеров, которые в принципе должны быть способны выполнять операции, далеко превосходящие возможности компьютеров нынешних. Хор не стал смотреть в зубы дареному коню и подал составленную вместе с Моуритсеном заявку, по которой они быстро получили весьма крупный грант.

Хотя интерес к этой теме быстро растет, дело пока что продвигается медленно, в основном в связи с множеством практических и теоретических проблем, существующих в этой области. По мнению Хора, это положение вряд ли изменится в ближайшем будущем, хотя он надеется, что со временем сможет – в сотрудничестве с другими учеными – разработать «окончательный эксперимент», который позволит либо опровергнуть, либо доказать криптохромную гипотезу.

Моуритсен разделяет скептицизм Хора относительно вероятности быстрого прогресса. Он стремится собрать «букет данных» из самых разных источников:

Моуритсен открыл в мозге птицы зону под названием «кластер N», которая получает входящие сигналы от глаз. Это единственная часть мозга, проявляющая повышенную активность во время ориентирования птицы в магнитном поле. Что еще важнее, если кластер N уничтожить, птица теряет магнитное компасное чувство, но сохраняет способность использовать звездный и солнечный компасы. Эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что первичные рецепторы магнитного компаса должны находиться в глазу (а не в клюве) птицы.

Начинает приносить некоторые плоды и работа с генетически модифицированными насекомыми. Было показано, что криптохромы играют важную роль в обнаружении магнитных полей дрозофилами. А когда в сетчатке глаза тараканов искусственно экспрессировали криптохромы, аналогичные тем, которые обнаруживают у млекопитающих, удалось заставить этих насекомых изменять направление движения, воздействуя на них вращающимся магнитным полем.

В основных экспериментах в области магниторецепции позвоночных используются содержащиеся в неволе птицы, которых помещают в клетки Эмлена, а это, как мы уже видели, не нравится некоторым исследователям – например, Анне Гальярдо, – которые предпочитают работать с животными, находящимися на воле (см. главу 19). Моуритсен согласен, что в принципе хорошо бы было ставить эксперименты на птицах в свободном полете, но отмечает, что многие из переменных очень трудно контролировать вне лаборатории. Возможно, однако, что вскоре появится возможность использовать в исследованиях птиц методы, разработанные Нахумом Улановским для регистрации сигналов отдельных клеток мозга летучих мышей (см. главу 24). В таком случае вполне могут появиться чрезвычайно интересные новые результаты.

В магнитной навигации в принципе может быть задействован и еще один механизм – электромагнитная индукция. Вигье рассматривал эту возможность еще в 1882 году, но в последние годы она привлекала гораздо меньше внимания, чем гипотезы магниторецепции с помощью магнетита и криптохромов. Основополагающий принцип, который используется в динамо-машине, состоит в том, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, «индуцируется» электрический ток. Собственно говоря, мы производим электроэнергию именно при помощи процесса электромагнитной индукции.

Достоверно известно, что некоторые рыбы, в том числе акулы и скаты, способны обнаруживать очень слабые электрические сигналы, по которым они могут выслеживать свою добычу. Для этого они используют электрорецепторные органы, которые называются ампулами Лоренцини, по имени итальянского анатома, открывшего их в XVII веке: длинные каналы, заполненные желеобразным веществом, соединяют поры в коже таких рыб с чувствительными клетками, расположенными в глубине их тела.

В течение долгого времени считалось, что электромагнитная индукция может работать только тогда, когда животное окружено средой, в которой легко замкнуть электрическую цепь. Воздух, в отличие от воды, плохо проводит электричество, но сухопутное животное может преодолеть это препятствие, если вся электромагнитная цепь находится внутри его тела. А полукружные каналы внутреннего уха птицы заполнены хорошо проводящей жидкостью, которая как раз может осуществлять эту функцию.

Недавнее открытие структуры, содержащей частицы магнитного минерала, в волосковых клетках, выстилающих полукружные каналы внутреннего уха, вдохнуло в гипотезу электромагнитной индукции новую жизнь. Идея состоит в том, что в жидкости, циркулирующей в этих органах, может индуцироваться электрический ток, а волосковые клетки могут его регистрировать.

В вопросе о магнитном компасном чувстве на основе электромагнитной индукции гораздо больше неопределенности, чем в двух других гипотезах, но, возможно, он заслуживает более пристального изучения.

Тунец  – один из самых быстрых и сильных пловцов в море; он способен перемещаться в воде почти так же быстро, как гепард на суше. Эти рыбы пересекают Тихий и Атлантический океаны, путешествуя туда и обратно между местами нереста и нагула, чрезвычайно предсказуемым образом. Видимо, они должны быть искусными навигаторами и, возможно, используют для этого магнетизм.

На закате и рассвете тунец выполняет странный маневр, который называют «пикирующим погружением»: он быстро опускается под крутым углом в глубину, а затем возвращается на поверхность. Это происходит приблизительно за полчаса до рассвета или через полчаса после заката, когда солнце находится градусах в шести ниже горизонта.