Для подтверждения этой гипотезы нужно найти магнитные частицы минерала магнетита (смесь оксидов двух– и трехвалентного железа) с подобными характеристиками и содержащие их клетки, связанные с нервной системой. И действительно, магнетит в теле обнаружен у многих животных и даже у людей, хотя последние в магниторецепции не замечены. Например, Джозеф Киршвинк и его коллеги из Калифорнийского технологического института выяснили[27], что в одном грамме человеческого мозга содержится не менее пяти миллионов однодоменных магнитных частиц – примерно четыре нанограмма. При этом большинство их имеет размер в 10–70 нм, а небольшая доля – существенно крупнее, под полмикрона. В мягких же оболочках мозга магнитных частиц примерно в 20 раз больше. Современные данные, впрочем, дают более высокие значения. В тканях жителей таких загрязненных городов, как Мехико или Манчестер, находят до 12 мкг/г подобных частиц, то есть в тысячи раз больше, чем в Калифорнии начала 1990-х[28]. Возникает мысль, что частицы магнетита не синтезируются в организмах городских млекопитающих, а проникают извне, например при вдыхании выхлопных газов дизельных двигателей. Хотя наличие больших и малых частиц при отсутствии средних подсказывает, что происхождение у тех и других может быть разным. Ну а пришедшие извне частицы вряд ли могут отвечать за какой-то орган чувств – очень уж это выходит ненадежно.
Где именно, в каких клетках мозга человека расположены магнитные частицы, выяснить пока что не удалось, равно как и не удалось найти "магнитные" клетки у животных, исследовать которых гораздо проще. Зато в межклеточном пространстве и в клетках иммунной системы – макрофагах, которые предназначены как раз для того, чтобы удалять из организма всякую крупную дрянь, – магнетитовые частицы имеются. Однако ни там, ни там они не могут передавать информацию нервной системе, а без этого какой может быть орган чувств? Да и скопления частиц во многих случаях находят вовсе не в мозге. Вот у пчел они сосредоточены в брюшке, и это, как показал опыт, ничуть не мешает магниторецепции[29].
Сначала пчел приучали брать мед из кормушки с магнитным полем. Через пару дней они так к этому привыкали, что искали мед именно там, где было магнитное поле. Затем пчелам перерезали нерв, который соединяет брюшко с грудью, то есть лишили магнитики из брюшка возможности передавать информацию с помощью нервной системы. Магнитное чувство у пчел пропадало, но мед они прекрасно забирали из кормушки, видимо, ориентируясь уже только на запахи. То есть магнетитовая система вполне работала, но, как именно магнитики в брюшке сообщали насекомому о присутствии поля, осталось загадкой. Авторы так и пишут: "Наши данные доказали, что магнетит играет важную роль в магниторецепции пчел. Однако связь железосодержащих клеток с нервной системой не установлена".
Зато у муравьев магнитики нашли у основания усиков – все-таки поближе к прочим органам чувств. Есть мнение, что усики общественных насекомых должны стать объектом пристального внимания исследователей магниторецепции.
В общем, замечательная магнетитовая гипотеза, казалось бы подтвержденная находками магнитных частиц в самых разных частях тела живых существ, благополучно разваливается при внимательном рассмотрении: нет ни чувствительных клеток, ни механизма измерения поля, ни способа передачи информации в мозг, ни понимания, какую информацию надо передавать – о напряженности поля, о его широтном или долготном склонении и т. п. В поисках выхода приходится пускаться в фантазии.
Например, предполагать, что такая частичка служит в качестве крышечки ионного канала: приоткрываясь под действием поля, она освобождает путь движению ионов сквозь мембрану чувствительной клетки, и та передает возбуждение в нервную систему[30]. Расчет показывает, что изменений магнитного поля Земли вполне хватает для перемещения такой крышечки, а силы белка-пружинки, приделывающего ее к мембране, – для последующего закрывания канала. На логичный вопрос: «Что же никто таких крышечек не видел?» – следует ответ: «Надо тщательнее смотреть, все-таки частички очень маленькие, увидеть их непросто». Тем более когда неясно, какие именно клетки требуют столь тщательного осмотра – клетки мозга или брюшка.
Альтернативный механизм связан со спиновой химией и основан на еще одном твердо установленном факте: у птиц, насекомых, земноводных способность чувствовать магнитное поле зависит от освещения – если его нет или если фильтром вырезана сине-зеленая область, то никакой магниторецепции не будет. Наверное, одними из первых соответствующие эксперименты провели уже упомянутые Вольфганг Вильчко и Росвита Вильчко с малиновками, благо методика изучения их магниторецепции была хорошо отработана. В новых опытах птиц освещали монохроматическим светом с разной длиной волны, и по мере отхода от синей области они теряли способность ориентироваться по магнитному полю[31]. Позднее подобные опыты проводили с огромным числом птиц, животных и насекомых. Важная роль света подсказывает, что чувствительный орган находится где-то в глазу, но там никакого магнетита пока что найдено не было. Зато там есть белки-фоторецепторы. На один из них, реагирующий на синюю и ультрафиолетовую часть спектра, – криптохром – и обратили внимание исследователи.
Этот белок знаменит тем, что он – одна из "шестеренок" циркадных часов и отвечает за их подстройку по солнцу. Однако криптохром еще и фоторецептор, причем единственный, способный давать долгоживущую пару радикалов. Время ее жизни, как и способность к образованию связей с другими молекулами, зависит от спинового состояния образовавшихся неспаренных электронов. Магнитное же поле способно это состояние менять. Поэтому изменения в поведении криптохрома могут лежать в основе магниторецепции. В таком случае обладающие этой способностью животные и насекомые непосредственно видят магнитное поле. Нам – существам, лишенным такого чувства, – понять, как все это выглядит, невозможно. Но можно пофантазировать примерно так. При повороте головы меняется ориентация молекул криптохрома относительно геомагнитного поля. Тогда, согласно базовой гипотезе радикальной магниторецепции, меняется действие этого рецептора: пары радикалов схлопываются либо какой-то белок отцепляется от него. Коль скоро криптохром связан с восприятием синего и ультрафиолетового света, то формируемая им картинка в мозгу становится более или менее синей в зависимости от того, как изменилось положение глаза относительно магнитного поля. Птица фиксирует это изменение и выправляет курс.
Проверяется световая гипотеза просто. Птиц или дрозофил приучают реагировать на магнитное поле, затем выключают синий свет, и сразу вся выучка пропадает, когда его снова включают – возвращается. Другой способ: взять нормальных дрозофил и дрозофил с дефектным геном, кодирующим криптохром, и посмотреть, как магнитное поле влияет на их поведение – например, способность к ухаживанию за самками[32]. У нормальных дрозофил сильное поле резко усиливает любвеобильность самцов, а на дефектных никак не сказывается. Вывод: дефектные не обладают магниточувствительностью.
Казалось бы, это доказывает неопровержимость радикальной гипотезы, и она оказывается прекрасной теорией, неплохо вписывающейся в экспериментальные данные. Однако есть серьезные возражения. Самое главное – предполагаемый механизм спиновой химии для слабого магнитного поля Земли до сих пор не продемонстрирован, его работоспособность зафиксирована для гораздо больших напряженностей магнитного поля.
Усложняют картину и животные, выпадающие из необходимых теоретикам закономерностей. Скажем, восточноамериканский краснопятнистый тритон обладает магниторецепцией не в одном, а в двух световых диапазонах – сине-ультрафиолетовом и близком к инфракрасному. Чтобы вписать его в концепцию, приходится придумывать весьма замысловатые превращения все того же криптохрома.
Наконец, многие магниточувствительные существа обходятся без света, например те же шмели, которые прекрасно ориентируются ночью. Есть данные, что некоторым птицам достаточно лунного света, но вот полярная крачка целый месяц летит из Арктики в Антарктику, не прекращая полет на ночь, то есть по меньшей мере четверть срока такого полета она почти лишена света Луны. А ведь если именно магниторецепция отвечает за прокладывание маршрута, но в темноте она не работает, то ночной безлунный полет точно собьет птиц с цели. Ну, разве что они используют Млечный Путь подобно жукам-навозникам.
Для выхода из этой тупиковой ситуации некоторые исследователи допускают одновременное существование разных механизмов. Например, Вольфганг и Росвита Вильчко уверены, что у птиц правый глаз с помощью радикального механизма определяет направление движения, а расположенные в спине частички магнетита помогают распознать местоположение[33].
В общем, как видно, до разгадки тайны магнитного чувства пока что очень далеко. Может быть, простые и надежные опыты вроде наблюдений за упорядочением псов во время дефекации помогут найти путь к научной истине или хотя бы к непротиворечивой рабочей модели.
Почему птицы «любят» одни статуи и «не любят» другие?
Порой за разгадками волнующих тайн необходимо в буквальном смысле слова забраться в мозг другого существа и попытаться понять, как оно, обладая другими органами чувств, воспринимает окружающий мир. Если же это не удается, загадка так и остается до конца не разгаданной. Вот одна из них. Каждый, кто гулял по площадям любимого города и внимательно рассматривал статуи, замечал интересную закономерность: у некоторых на голове и плечах находится толстый слой птичьего помета, а другие стоят как будто только что из мастерской. Профан скажет, что тот, чья статуя засижена птицами, при жизни был нехорошим человеком, вот птицы ее и метят. Но не таков искушенный в познании премудростей исследователь. Он глубоко задумается и составит план, который поможет ему максимально близко приблизиться к непостижимой истине, как это сделал лауреат Игнобелевской премии 2003 года по химии Юкио Хироси. Он пытался понять, отчего статую в городе Канадзава голуби облетают стороной.