строгрудого лесного певуна Dendroica striata, в настоящее время известны лучше других и могут послужить образцом, хотя между маршрутами передвижения разных видов существуют определенные различия.
К середине июля гнездование певунов в густых северных еловых и пихтовых лесах завершается. И взрослые, и молодые птицы линяют. Взрослые меняют свой яркий брачный наряд на серый и тусклый. Линька завершается в течение месяца, и вся популяция, разбросанная от штата Мэн до Аляски, приходит в движение. Все птицы собираются на северо-востоке Соединенных Штатов. Одиночные птицы с Аляски и запада возвращаются в те самые места, откуда они начинали свои трансконтинентальные поездки протяженностью тысячи километров.
Достигнув восточного побережья, птицы, которые весят всего 9–11 г, превращаются в обжор – это известно под более корректным термином «гиперфагия». Пользуясь тем, что к этому времени уже поспевают ягоды, а растения подвергаются нашествию тли и других насекомых, всего за десять дней певуны удваивают вес своего тела. Большая часть этого прироста – жир, который накапливается толстыми массами под кожей брюха и грудной клетки чуть ниже шеи. Заряженные топливом, птицы затем направляются на последнюю перевалочную базу – мыс Код, штат Массачусетс. Оттуда эти крошечные духи хвойного леса массово отправляются в удивительный непрерывный трансатлантический перелет протяженностью около 3,5 тысячи километров – до Венесуэлы.
Спусковой крючок, который отправляет лесных певунов в этот непрерывный ультрамарафон через Атлантический океан, – наступление холодного атмосферного фронта. Летя со скоростью чуть более 32 км/ч, они сначала используют силу ветра, гонящего холодный воздух на юго-восток. Постепенно улетающие птицы сбиваются в стаи от 500 до 1000 особей. На второй день эти стаи попадают в безветренный район Саргассова моря, а на четвертые сутки непрерывного полета их подхватывают пассаты, и наконец сильно отощавшие птицы достигают северного побережья Южной Америки.
Пестрогрудые лесные певуны, наверное, не самые уникальные перелетные птицы, но, как и другие певчие птицы, обитающие летом в наших лесах, они заставляют нас всегда помнить о птичьих способностях. Многие виды арктических куликов размножаются еще севернее и зимуют еще южнее, совершая тем самым еще более грандиозные перелеты.
Бонапартов песочник, Calidris fuscicollis, – один из них. Этот кулик размером чуть больше воробья гнездится за Северным полярным кругом. Осенью, как и пестрогрудый лесной певун, он мигрирует на восток через Американский континент к атлантическому побережью. Там похудевший песочник снова отъедается, прежде чем отправиться в непрерывное путешествие протяженностью почти 5 тысяч километров, продолжающееся по крайней мере три дня и три ночи. Стаи песочников заканчивают перелет в Суринаме, расположенном на северном побережье Южной Америки. Как и во всех дальних путешествиях, запасы энергии жизненно важны для успеха. Птицы нуждаются в богатых кормовых площадках для заправки топливом, чтобы иметь возможность отправиться в третий, и последний, этап своего долгого путешествия – еще 3,5 тысячи километров над Южноамериканским континентом, через Амазонку и далее в Аргентину, на оконечность Южной Америки, где завершится их ежегодное путешествие протяженностью более 14 тысяч километров – от одного полюса земного шара к другому. Путешествие птиц – это изощренный маршрут с дозаправками на весьма специфических и важных водно-болотных угодьях и спокойных прибрежных кормовых базах. В конце каждой из потрясающих осенних и весенних миграций птицы вновь достигают зоны непрерывного дневного света, прилетев из полярного дня в Северном или Южном полушарии. Короче говоря, за исключением дней полета, в мире, в котором они проводят большую часть года, не бывает ночи, что позволяет им непрерывно кормиться, резвиться и летать.
Кулики во время миграции
Изучение популяций еще одного вида арктических песочников дало нам дополнительную информацию, особенно о балансе энергии во время миграций. Песочники размножаются вокруг всего Северного полюса, а районы их зимовки сильно отличаются друг от друга. Обитающий в Новом Свете исландский песочник, Calidris canutus rufa, осенью мигрирует на юг, пролетая примерно 12,5 тысячи километров. Если у птиц нет жировых резервов для миграции, они обычно весят 120 г, а при полном жире – непосредственно перед взлетом – около 180–200 г (иногда даже 250 г). Как и более мелкие перелетные певчие птицы, кулики регулярно удваивают свой вес перед миграцией.
При весе 250 г (из них 130 приходится на долю жира) теоретическая максимальная дальность беспосадочного перелета песочника – около 7,5 тысячи километров. Со скоростью 75 км/ч он пролетает около ста часов, прежде чем остановится для дозаправки. Песочники совершают длительные перелеты между перевалочными пунктами или кормовыми зонами; расстояние, пройденное в каждом перелете, ограничено количеством жира, который они накопили. Следовательно, запасы еды в кормовых зонах, где птицы кормятся неделю-две, прежде чем возобновить миграцию к следующей остановке заправки, имеют решающее значение.
У исландских песочников, вылетающих из Джеймс-Бэй в Северной Канаде, есть три перевалочных пункта (или заправочных станции) на пути к их конечному месту назначения – Сьерра-дель-Фуэго, на южной оконечности Южной Америки. Песочники из западной части Арктики сначала направляются к восточному побережью Америки, где подкрепляются в течение двух недель, затем в Суринам, на север Южной Америки, где снова восполняют запасы и силы, потом через бассейн Амазонки в Южную Бразилию и напоследок перелетают на оконечность Южной Америки. Здесь их ждет полярный день, в то время как места их размножения находятся в непрерывной ночи арктической зимы. Как и многие другие птицы – кулики, ржанки и крачки, – они перелетают от полюса к полюсу по всему земному шару.
Длительные птичьи полеты требуют огромного количества топлива, но вес этого топлива также является для птиц тяжелым бременем. Кулики, как и авиалайнеры, часто летают на высоте более 4 км, где воздух более разрежен и аэродинамическое сопротивление меньше. Недостаток полета на такой высоте – нехватка кислорода в организме. Для того чтобы оставаться наверху, нужна большая скорость для создания достаточной подъемной силы, что в свою очередь требует больших затрат энергии и кислорода для длительных усилий во время полета. Эту труднопреодолимую проблему птицы решают с помощью физиологии пищеварения и дыхания.
Каким образом замечательные способности птиц достались им от предков – наземных динозавров? Когда предки птиц впервые взлетели, им нужно было сделать непростой выбор в пользу снижения веса. Кости стали легче, отчасти из-за того, что они стали полыми. Дальнейшее снижение веса, вероятно, было достигнуто за счет изменений в рационе. Чтобы извлечь скудные энергетические ресурсы из вездесущей листвы, травоядным требуется толстый желудок и длинный кишечник. Ни один лайнер не может летать на растительном волокне в качестве источника питания; ему требуется высокоочищенное реактивное топливо с высоким соотношением энергии к весу, которое можно легко и быстро сжечь. Чтобы сохранить весьма энергозатратную способность летать, предки птиц должны были избирательно подходить к питанию, предпочитая листве фруктовые белки и белки насекомых. Высокооктановый рацион из насекомых и фруктов позволил уменьшить огромный объем и вес кишечника, а также зубов и тяжелых челюстных костей, на которых крепятся зубы. Избирательность в рационе питания в конечном счете позволила им стать еще более придирчивыми, потому что это помогало им летать дольше. Я подозреваю, что такой автокаталитический цикл мог спровоцировать настоящий эволюционный взрыв, благодаря которому эти животные стали одной из самых разнообразных, многочисленных и удивительных форм жизни на Земле.
Даже сейчас изменения в рационе питания некоторых птиц и всеядных животных вроде нас влияют на массу кишечника. Простое употребление большего количества белка приводит к физиологической реакции – уменьшению длины и массы кишечника. Хотя изменение рациона питания с низкокалорийных на высококалорийные продукты само по себе увеличило бы соотношение мощность/масса для облегчения дальних полетов, реальный прорыв в выносливости сверхдальних полетов у птиц мог произойти позже как вторичное следствие того, что кишечник стал занимать меньше места внутри тела.
Уменьшение пищеварительного аппарата освобождает место для других вещей. Свободное пространство заполняется другими органами либо остается пустым для поддержания легкости тела. Птицы пошли по второму пути, и, как ни парадоксально, это стало частью большого скачка развития, позволившего им летать быстро даже на больших высотах в условиях нехватки кислорода.
Дышащие воздухом рыбы, рептилии и млекопитающие обременены не очень-то эффективной системой вдоха и выдоха. Мы вдыхаем в мешкообразное легкое, поднимая ребра и опуская диафрагму, чтобы создать отрицательное давление в легком. Затем мы выталкиваем воздух обратно, прежде чем сделать еще один вдох. Совсем опорожнить легкие практически невозможно, так как мы не можем полностью выгнуть грудь. Внутри всегда остается немного остаточного воздуха, почти лишенного кислорода. Когда мы вдыхаем, мы смешиваем новый свежий воздух, насыщенный кислородом, с этим обедненным остаточным. У птиц все по-другому.
Где-то когда-то у предшественников птиц появилось большое новшество. Их дополнительные воздушные пространства в теле были соединены с легкими. Это соединение сделало возможным прохождение воздуха через легкие. С помощью особых воздушных мешков в полости тела птицы теперь направляют воздух через относительно жесткие легкие и делают это как во время вдыхания, так и во время выдоха.
На первый взгляд может показаться, что, если воздух проходит насквозь через легкие, а не туда-обратно, птицы не могут выдохнуть. Тем не менее они выдыхают! Фокус в том, что они используют два вдоха, чтобы переместить заданную массу воздуха внутрь и затем наружу, при этом две отдельные струи воздуха одновременно проходят через дыхательную систему. Легкие соединяются с расположенными спереди и сзади воздушными мешками. Воздух проходит через легкие как при вдохе, так и при выдохе. Когда задние воздушные мешки наполняются свежим воздухом, использованный, застоявшийся воздух от предыдущего вдоха проходит из легких в передние воздушные мешки. При выдохе воздух выходит из передних воздушных мешков наружу, а свежий воздух (от предыдущего вдоха в задние воздушные мешки) поступает в легкие.