У черепах есть два механизма магниторецепции — «компас» и «карта»

Рис. 1. Черепашонок, которого в течение двух месяцев кормили в магнитном поле с определенными параметрами, демонстрирует характерное поведение — «танцует» в ожидании пищи, снова попав в такое же поле. Кадр из видео, прилагающегося к обсуждаемой статье

Эксперименты на юных морских черепахах логгерхедах (Caretta caretta) показали, что черепашата не только чувствуют интенсивность и наклонение магнитного поля Земли, но и способны надолго запоминать магнитные профили разных местностей. Параметры магнитного поля закономерным образом варьируют в зависимости от географического положения, что позволяет использовать их в качестве своеобразной карты, помогающей животным прокладывать маршруты миграций. Кроме того, черепахи чувствуют направление наклона магнитного поля и ориентируются по нему, как по компасу. Также выяснилось, что специфические помехи — слабые магнитные поля, осциллирующие в радиочастотном диапазоне, — выводят из строя черепаший магнитный компас, но не карту. Из этого следует, что два вида магниторецепции у черепах основаны на разных биофизических механизмах. Ранее похожие выводы были сделаны в отношении птиц.

Многие мигрирующие животные используют магнитное поле Земли и как компас (чтобы определять направление), и как карту (чтобы определять текущее положение) (см. K. Lohmann et al., 2022. Magnetic maps in animal navigation). Позиционную информацию можно извлечь из таких параметров магнитного поля, как его интенсивность (см. Магнитная индукция) и наклонение, то есть угол наклона силовых линий магнитного поля к горизонтальной поверхности. Оба параметра тесно связаны с геомагнитной широтой (чем ближе к магнитному полюсу, тем выше их значения), но определяются не только ей, но и другими факторами, в том числе локальными особенностями структуры земной коры.

Несмотря на активное изучение, конкретные физиологические механизмы магниторецепции у животных остаются не до конца понятными (см. Магниторецепция у человека и других животных: новые данные, новые сомнения, «Элементы», 05.04.2019).

Биологи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле провели серию экспериментов с детенышами морской черепахи Caretta caretta, чтобы разобраться в устройстве магнитного чувства у этого вида, известного своей склонностью к далеким миграциям и к возвращению в излюбленные места кормления и размножения после долгих отлучек.

В первой серии экспериментов ученые проверили, способны ли черепахи запоминать локальную комбинацию интенсивности и наклонения магнитного поля, то есть магнитный профиль конкретной точки на карте. Считается, что такая способность, скорее всего, есть у многих мигрирующих животных, но прямых экспериментальных подтверждений этому до сих пор не было.

Оригинальный метод, использованный учеными для решения поставленной задачи, основан на забавном поведении выросших в неволе черепашек. Когда черепашата думают, что сейчас их будут кормить, они начинают махать передними ластами, ориентируют тело вертикально, высовывают голову из воды, открывают рот и иногда даже крутятся вокруг своей оси от избытка чувств (см. рис. 1 и видео). Авторы называют это поведение «танцем».

В эксперименте участвовали черепашата, собранные сразу после вылупления на пляже в Болд-Хед-Айленд в Северной Каролине. Животных содержали в неволе год, а потом выпускали в море.

В возрасте 1–2 месяцев черепашат начинали «тренировать». Это выражалось в том, что черепашонка каждый день на 40 минут помещали в искусственное магнитное поле, интенсивность и наклонение которого в точности соответствовали магнитному профилю одной из двух реальных точек в Атлантическом океане. Например, в первый день черепашонка помещали на 40 минут в магнитное поле с профилем, характерным для побережья Нью-Хэмпшира, во второй день — в поле с профилем некоторой точки в Мексиканском заливе, на третий день снова было Нью-Хэмпширское поле, и так далее (рис. 2). Третий параметр магнитного поля — магнитное склонение — во всех экспериментах оставался постоянным. Умеют ли черепахи его определять, пока не известно, но в любом случае для этого нужно видеть небо, а такой возможности у подопытных черепашат не было.

Каждого черепашонка кормили только в те моменты, когда он находился в одном из двух полей (половину — в Нью-Хэмпширском, половину — в поле Мексиканского залива). Таким образом, одно поле было «подкрепляемым» (rewarded), а второе  — «неподкрепляемым» (unrewarded). Еду давали через 5–15 минут после помещения животного в подкрепляемое поле, так что у него оставалось 25–35 минут, чтобы спокойно поесть. В остальное время животные никакой еды не получали — ни во время нахождения в естественном магнитном поле (исследование проводилось в Чапел-Хилле в Северной Каролине), ни во втором искусственном.

Рис. 2. Черепашата, приученные получать пищу в искусственном магнитном поле с профилем определенной географической точки, танцуют в ожидании угощения, когда попадают в такое же магнитное поле (Rewarded magnetic field). При попадание в поле с профилем другой точки, с которым у черепах не ассоциируется положительное подкрепление (Unrewarded magnetic field), черепашки танцуют значимо меньше. Левая диаграмма показывает результаты тестирования сразу после обучения, правая — спустя четыре месяца. Рисунок из обсуждаемой статьи

Таким образом, авторы пытались выработать у черепашат классический условный рефлекс, чтобы они начинали танцевать, попадая в магнитное поле с определенным профилем. Если, конечно, они способны эти профили чувствовать и запоминать.

После двух месяцев обучения животных тестировали в обоих магнитных полях уже без всякой еды. Попадая в подкрепляемое магнитное поле, черепашата танцевали активнее, чем в неподкрепляемом поле. Тем самым подтвердилась гипотеза о способности черепах чувствовать и запоминать магнитный профиль местности. Как показало повторное тестирование подросших черепашат, эта память сохраняется как минимум четыре месяца (рис. 2, правая диаграмма).

Дополнительные эксперименты с другими группами черепашат и другими магнитными профилями показали, что животные успешно различают и запоминают магнитные профили разных местностей независимо от того, находятся ли эти местности южнее или севернее места, где проводились эксперименты (или одна южнее, а другая севернее). Они способны различать и профили точек, расположенных не очень далеко друг от друга — например, профили побережья Гаити и островов Тёркс и Кайкос, расстояние между которыми всего 300 км.

В следующей серии экспериментов было показано, что черепахи используют для опознания магнитного профиля сразу оба параметра — и интенсивность, и наклонение. Ни на комбинацию подкрепляемой интенсивности с неподкрепляемым наклонением, ни на обратное сочетание они не реагируют танцем — только на оба подкрепляемых параметра вместе.

Кроме того, выяснилось, что черепашек, уже выучивших профиль одной точки, можно переучить, чтобы они танцевали при попадании в поле с другим профилем. Это согласуется с предположением о том, что черепахи могут запоминать магнитные профили нескольких разных мест. Скольких именно — пока неизвестно, но такая способность может позволить им составлять детальные магнитные карты и запоминать маршруты.

Авторы подчеркивают, что их результаты — это первое прямое экспериментальное подтверждение способности выучивать магнитный профиль местности, причем не только для черепах, а вообще для животных. Имевшиеся ранее подтверждения были более косвенными. И всё это удалось сделать благодаря забавной склонности черепашек танцевать в предвкушении угощения.

Морские черепахи не только запоминают локальные магнитные профили, но и выбирают направление движения, ориентируясь по магнитному полю. То есть в их распоряжении есть не только магнитная карта, но и магнитный компас. Это было известно и ранее. В данном исследовании ученые попытались выяснить, основаны ли «карта» и «компас» на одном и том же или на разных физиологических механизмах.

Предполагается (хотя и не доказано окончательно), что у птиц есть как минимум два разных механизма магниторецепции. Компасный механизм предположительно связан с фотохимическими реакциями, в которых задействованы белки криптохромы в сетчатке глаз (возможно, птицы буквально видят магнитное поле; см. Cryptochrome and Magnetic Sensing), а карта — с частицами магнетита в надклювье и (или) во внутреннем ухе (улитке; см. ссылки в конце новости). Только первый из этих двух механизмов чувствителен к помехам особого рода: к слабым магнитным полям, осциллирующим в диапазоне радиочастот (0,1–10 мегагерц).

Авторы проверили, нарушают ли такие помехи работу черепашьих компаса и карты. Оказалось, что на «картографический» аспект магниторецепции (то есть на способность различать магнитные профили разных местностей) эти помехи влияния не оказывают. Черепахи успешно отличали подкрепляемый профиль от неподкрепляемого как с помехами, так и без.

Работу компасного механизма проверяли при помощи методики, разработанной ранее. Черепашек в круглом бассейне диаметром 1,1 м помещали в магнитное поле с профилем, характерным для островов Зеленого Мыса. Ранее было показано, что в таком магнитном поле молодые Caretta caretta с берегов Северной Каролины обычно плывут на запад, что соответствует маршруту их естественных миграций. По-видимому, такое поведение является частью врожденной миграционной программы, поскольку оно не требует обучения. Эксперимент подтвердил, что в данном магнитном поле большинство черепашек действительно плывет на запад. Однако при включении радиочастотных магнитных помех ориентация полностью терялась, и направление движения черепашек становилось неотличимым от случайного.

Очевидно, что в данном случае для правильной ориентации животным необходимы оба механизма: и карта (чтобы включить поведенческую программу, заготовленную эволюцией для района островов Зеленого мыса), и компас (чтобы правильно выбрать направление). Поскольку предыдущий эксперимент показал, что на «картографический» механизм помехи не влияют, исследователи сделали логичный вывод, что слабое осциллирующее магнитное поле вывело из строя черепаший компас.

Таким образом, у черепах, как и птиц, по-видимому, есть как минимум два разных механизма магниторецепции, только один из которых (компасный) чувствителен к слабым магнитным полям, осциллирующим в диапазоне радиочастот.

Данный вид помех должен влиять на тот гипотетический механизм магниторецепции, который основан на криптохромах в сетчатке глаз, но не на тот, в котором участвуют кристаллы магнетита. Поэтому можно было бы заключить, что магнитный компас у черепах, как и птиц, вероятно, основан на криптохромах. Но есть нюанс: в криптохромном механизме задействован свет (криптохромы производят магниточувствительные парные радикалы в ответ на облучение синим светом, см. ссылки в конце новости), а тестирование черепашьего магнитного компаса проводилось в темноте. Это обстоятельство не опровергает полностью идею о роли криптохромов в черепашьем магнитном компасе (потому что не исключено, что криптохромы могут обеспечивать магниторецепцию в течение какого-то времени после того, как были освещены), но и не позволяет сделать определенных выводов.

Таким образом, исследование не сильно приблизило нас к пониманию конкретных физиологических механизмов магниторецепции у животных. Однако у работы есть три несомненных достоинства:
    1) Впервые получено прямое экспериментальное подтверждение способности животных выучивать и месяцами помнить магнитные профили разных местностей;
    2) Показано, что механизмов магниторецепции у черепах, как и у птиц, как минимум два;
    3) Танцующие черпашки очень милые и трогательные.

Источник: Kayla M. Goforth, Catherine M. F. Lohmann, Andrew Gavin, Reyco Henning, Andrew Harvey, Tara L. Hinton, Dana S. Lim & Kenneth J. Lohmann. Learned magnetic map cues and two mechanisms of magnetoreception in turtles // Nature. 2025. DOI: 10.1038/s41586-024-08554-y.

См. также:
1) Связь магнитного компаса и зрения у птиц: гипотезы и нерешенные вопросы. Популярный синопсис к статье Л. А. Астахова, А. Ю. Ротов, К. В. Кавокин, Н. С. Чернецов, М. Л. Фирсов, 2019. Связь магнитного компаса и фоторецепции у птиц: гипотезы и нерешенные вопросы.
2) Магниторецепция у человека и других животных: новые данные, новые сомнения, «Элементы», 05.04.2019.
3) Тройничный нерв играет определяющую роль в магнитной навигации птиц, «Элементы», 13.08.2018.
4) У птичьего компаса обе стрелки синие. Популярный синопсис к статье Д. А. Кишкинёв, Н. С. Чернецов, 2014. Магниторецепторные системы у птиц: обзор современных исследований.

Александр Марков