Чтобы вернуться домой, тростниковые камышевки запоминают магнитное наклонение в точке старта

Тростниковая камышевка (Acrocephalus scirpaceus) — мелкая птица из отряда воробьинообразных. Она гнездится в тростниковых зарослях на большей части Европы, а также в Средней и Передней Азии. Зиму проводит в Африке. Фото с сайта naturespot.org.uk

Осенью птицы используют магнитный компас для определения направления на зимовку. Весной их задача сложнее: многим из них желательно вернуться примерно в то же место, где годом ранее они гнездились или где родились. Компас такую точность обеспечить не может. Выяснилось, что тростниковые камышевки используют для этого довольно простой механизм: они летят по магнитному компасу, пока не попадут в место с тем значением магнитного наклонения, которое они запомнили в прошлом году, до начала осенней миграции.

Осенью миллионы перелетных птиц отправляются на зимовку, иногда за сотни и тысячи километров от места гнездования. Весной они возвращаются назад. Хотя вопросов еще много, в общих чертах понятно, как они ориентируются во время миграций. Ключевыми «инструментами» здесь являются внутренние биологические часы и компас, работа которого основана на восприятии магнитного поля Земли — магниторецепции). Птица как бы «видит» магнитное поле.

Наиболее обоснованная сейчас гипотеза о механизме магниторецепции птиц такова (H. Mouritsen, 2018. Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals). В сетчатке глаза у птиц есть светочувствительные белки-криптохромы. Под воздействием света молекулы этих белков переходят в возбужденное состояния, образуя «долгоживущую» пару радикалов. Эта пара может существовать в двух энергетических состояниях. На то, в каком состоянии будет пара, влияет напряженность и ориентация магнитного поля по отношению к оси этой пары. Далее эта информация передается по тройничному нерву в мозг птицы. На выходе магнитный компас определяет угол между линиями магнитного поля и силой тяжести. (Подробнее см. У птичьего компаса обе стрелки синие.)

Во время миграции компас определяет направление полета, а биологические часы — продолжительность и, соответственно, дальность полета. Именно так находят места зимовок в свой первый раз молодые птицы из отряда воробьинообразных. Многие из них летят по ночам и в одиночку, так что рассчитывать они могут только на себя — точнее, на свою врожденную программу. Это программа не очень сложна. Во-первых, она «говорит» птице, когда начать миграцию (за это ответственны биологические часы) и в каком направлении лететь. А во-вторых, подсказывает, через какое время завершить миграцию. То есть осенью в определенное время молодая птица стартует в определенном (врожденном) направлении, и через некоторое заданное количество дней прекращает миграцию. Здесь и будет располагаться зимовка.

Примерно таким же образом происходит ориентация во время весенней миграции, когда птицы возвращаются на места гнездования. Важное отличие состоит в наличии опыта — ведь птицы уже проделали весь миграционный путь как минимум один раз. Часто они знают, куда им надо попасть. На этом основано явление, называемое «филопатрия» (см. Philopatry): птица возвращается весной в тоже место, где она гнездилась в прошлом году или где появилась на свет. Чтобы найти искомую точку, нужно, как минимум, иметь навыки навигации. При навигации птица не просто определяет направление полета (это ориентация), а знает свои текущие координаты.

Навигация может осуществляться не только по магнитному полю — всё зависит от масштаба. При дальне-дистантной навигации (рис. 1, а) основным источником информации является именно магнитное поле Земли. Но опытные птицы могут корректировать маршрут по солнцу или звездам. При ближне-дистантной навигации, или хоминге (рис. 1, b) птице надо найти свой дом с расстояния в несколько километров или десятков километров. Здесь птицы ориентируются по градиенту визуальных и запаховых характеристи: движутся в сторону усиления определенного запаха или, скажем, вглубь леса или вдоль реки. Наконец, при определении конкретной цели (например, места для гнезда) используются специфические визуальные маркеры вроде формы кроны дерева или одной из его ветвей (рис. 1, c).

Рис. 1. Три фазы навигации птиц (a–c). Каждая фаза соответствует «карте» определенного масштаба, и на каждой из них предпочтительно используются разные механизмы навигации (подробнее см. в тексте). Рисунок из статьи: H. Mouritsen, 2018. Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals

Зная параметры магнитного поля Земли, можно определить, какую точность может обеспечить навигация на основе магниторецепции. Ряд характеристик магнитного поля меняется в направлении север–юг и, в меньшей степени, восток–запад. Однако поле регулярно случайным образом флуктуирует в каждой точке. Было рассчитано, что по магнитному полю можно определить координаты с точностью до 10–30 км. В принципе, этого достаточно, чтобы перейти от дальне-дистантной фазы навигации к фазе хоминга, на которой магниторецепция уже не используется (см. рис. 1).

Однако такую точность не может обеспечить магнитный компас. Это значит, что, перед тем как отправиться на зимовку в первый раз, птица должна запомнить какую-то характеристику магнитного поля земли в месте старта. Иначе она не сможет вернуться. (Но, как мы знаем, очень многие возвращаются!) Есть три характеристики поля, которые позволяют более точно определить искомое место. Это: (1) магнитное наклонение (угол наклона магнитного поля по отношению к поверхности Земли); (2) магнитное склонение (угол между географическим и магнитным меридианами); (3) интенсивность магнитного поля. Известно, что некоторые из этих характеристик действительно играют роль в навигации птиц (см. новость Тройничный нерв играет определяющую роль в магнитной навигации птиц, «Элементы», 13.08.2018).

В недавней статье группа ученых из Оксфорда (Великобритания) решила проверить, какой из названных параметров запоминают птицы. Пошли они не совсем классическим путем. Обычно такого рода исследования — экспериментальные. В обсуждаемой же работе рассматривались возвраты птиц на места гнездования. Были проанализированы данные со всей Европы за 1940–2018 годы по одному многочисленному виду — тростниковой камышевке. Всего было изучено 17 799 гнездовых возвратов (рис. 2, a). Это значит, что для каждой из этих почти 18 тысяч птиц было известно место отлова (= кольцевания) в гнездовой сезон и место, где птица была отловлена в гнездовой период на следующий год.

Известно, что магнитное поле Земли нестабильно: его характеристики в каждой точке меняются с течением времени. Зная это, ученые решили соотнести три характеристики магнитного поля с расстоянием между точками отловов камышевок в последовательные годы. Может быть, камышевки на самом деле стремятся попасть в одно и то же место, но ошибаются? А ошибаются они потому, что ориентируются на параметры, которые они считают неизменными, но которые на самом деле меняются из года в год.

Итак, были проанализированы различия в магнитном наклонении, магнитном склонении и интенсивности магнитного поля между точками отловов птиц в два последовательных года. Если эти различия меньше случайно ожидаемых, то птицы предположительно учитывают данный параметр при выборе места гнездования. Оказалось, что это выполняется только для магнитного наклонения, но не для двух других переменных. Таким образом, возможно, тростниковые камышевки используют магнитное наклонение для того, чтобы решить, в каком месте завершить весеннюю миграцию.

Далее ученым удалось подтвердить это предположением результатом еще одного анализа. Тростниковые камышевки, гнездящиеся в Европе, зимуют в Африке к югу от Сахары. Во время миграции они предпочитают облетать Средиземное море. При этом большинство европейских камышевок огибают эту водную преграду с запада и попадают в Африку через Марокко и Алжир. Но птицы, гнездящиеся на юго-востоке Чехии, в Венгрии и на Балканах, ведут себя по-другому. Они летят на восток и пересекают границу африканского континента в Египте. Весной, возвращаясь назад, птицы следуют теми же путями. При этом, уже в Европе, камышевки первой группы летят преимущественно в северо-восточном направлении, а второй — в северо-западном.

Если птицы используют только одну «координату» (то есть магнитное наклонение) в качестве стимула к завершению миграции, смещения их мест отловов должны располагаться вдоль главного миграционного направления. Иными словами, у птиц, следующих в северо-восточном направлении, новые точки отлова должны быть преимущественно северо-восточнее или юго-западнее исходной локации. Но не, к примеру, северо-западнее или юго-восточнее. Рис. 2 показывает, что так и есть. То есть птицы просто летят по компасу, следуя заданному направлению, пока не попадут в нужное им место. А место это определяется по магнитному наклонению. Изменение этого параметра от года к году приводит к тому, что птицы либо недолетают, либо перелетают искомую точку — несмотря на то, что ориентируются на одно и то же значение магнитного наклонения.

Рис. 2. а — места кольцевания (то есть первого отлова) тростниковых камышевок, во время миграции огибающих Средиземное море с запада (оранжевые кружки) или с востока (синие кружки). b, c — смещение мест гнездования этих двух групп птиц во второй год наблюдений по сравнению с годом кольцевания. Видно, что птицы обоих групп преимущественно не долетают до исходного места гнездования либо перелетают его, но не смещаются при этом относительно главного направления своего миграционного маршрута (которое примерно соответствует пунктирным линиям). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Надо отметить, что «выбор» именно магнитного наклонения вполне целесообразен. Расчеты показали, что при такой стратегии навигации ошибка, вызванная смещением магнитного поля за год, составит в среднем всего 1,22 ± 0,01 км. Использование других способов навигации ошибку увеличит — за счет большей вариабельности прочих двух параметров. Так, если использовать одновременно магнитное наклонение и магнитное склонение в качестве би-координатной сетки, ошибка будет 18,5 ± 0,08 км. Сочетание интенсивности поля и склонения даст ошибку 20,4 ± 0,05 км, а интенсивности и наклонения — даже 98,2 ± 2,6 км.

Получается, что тростниковые камышевки используют довольно простой механизм для того, чтобы вернуться на место гнездования. Весной они летят по магнитному компасу до тех пор, пока не попадут в место с искомым значением магнитного наклонения, которое они помнят по прошлому году. Здесь они заканчивают миграцию и начинают подыскивать конкретный участок, где проведут гнездовой сезон.

Источник: Joe Wynn, Oliver Padget, Henrik Mouritsen, Joe Morford, Paris Jaggers, Tim Guilford. Magnetic stop signs signal a European songbird’s arrival at the breeding site after migration // Science. 2022. V. 375. P. 446–449. 28 January 2022. DOI: 10.1126/science.abj4210.

Алексей Опаев