[83]!
В наши дни путешествия бабочек-монархов считаются ярчайшим примером великих миграций животных. Каждый год в период с сентября по ноябрь миллионы монархов из юго-восточной Канады отправляются на юго-запад и совершают путешествие длиною несколько тысяч километров. Их путь лежит через пустыни, прерии, поля и горы, через географическое «игольное ушко» прохладных речных долин шириной 80 километров между Игл-Пасс и Дель-Рио в Техасе — к вершинам дюжины высоких гор в Центральной Мексике, где они в конце концов находят приют. А весной, после зимовки на прохладных вершинах мексиканских гор, монархи отправляются в обратный путь, к местам, где летом их ожидает огромное количество корма. Самое примечательное, что ни одна отдельно взятая бабочка не проделывает весь этот путь. Они размножаются по пути, так что бабочки, которые возвращаются в Торонто, — это внуки тех монархов, что покинули Канаду осенью.
Как этим насекомым удается перемещаться с такой точностью, что они могут достичь крошечной цели за тысячи километров от места рождения — цели, где ранее бывали только их предки? Это еще одна из тех огромных загадок природы, которые начинают проясняться только сейчас. Как и все мигрирующие животные, бабочки используют различные чувства, включая зрение и обоняние, а также солнечный компас, который помогает корректировать движение по Солнцу в течение дня, по так называемым циркадным часам, биохимическому процессу, присущему всем животным и растениям, который позволяет отслеживать смену дня и ночи в течение суток. Такие часы мы часто называем биологическими или внутренними.
Циркадные часы знакомы нам, например, по собственной усталости, накапливающейся к вечеру, бодрости, которую мы ощущаем утром, а также по тому, как тяжело порой переносим смену часовых поясов при длительном перелете. В последние несколько десятилетий была сделана целая череда увлекательных открытий, проливающих свет на механизм работы этих часов. Одним из наиболее удивительных является тот факт, что испытуемые, которые находятся в изоляции в условиях постоянного освещения, все равно способны поддерживать примерно 24-часовой цикл активности и отдыха, несмотря на отсутствие внешних ориентиров. Кажется, что наши «внутренние» — циркадные — часы жестко запрограммированы. Эти «встроенные» часы, задающие темп всему организму (наше «циркадное чутье»), находятся в головном мозге, а точнее, в гипоталамусе. Несмотря на то что люди в условиях постоянного освещения по-прежнему придерживаются примерно 24-часового цикла, их циркадные часы постепенно сдвигаются относительно реального времени суток, так что их периоды бодрствования и сна не будут синхронны с периодами бодрствования и сна у тех людей, которые не участвуют в эксперименте. Тем не менее при возвращении в условия естественного освещения циркадные часы испытуемых довольно быстро перенастраиваются на фактический цикл дня и ночи в процессе, который получил название «подгонка к суточному ритму».
Солнечный компас бабочек-монархов работает по принципу сравнения высоты Солнца с временем суток — отношения, которое изменяется как с широтой, так и с долготой. Должно быть, у них тоже есть свои биологические часы, которые, как и наши, автоматически подстраиваются под освещенность, чтобы компенсировать изменение во времени восхода и захода Солнца в течение долгой миграции. Но где же у монархов располагаются эти биологические часы?
Как выяснили Уркухарты, бабочки не самые простые животные для исследования; плодовые мушки, о которых мы говорили в предыдущей главе и которые способны учуять и проложить путь сквозь лабиринт, являются гораздо более удобными лабораторными насекомыми, так как они очень быстро размножаются и легко мутируют. Как и мы, плодовые мушки корректируют свои биологические ритмы по циклам смены дня и ночи. В 1998 году генетики обнаружили дрозофил-мутантов, у которых циркадный ритм не зависит от воздействия света[84]. Они выяснили, что мутация произошла в гене, кодирующем белок глаз под названием «криптохром». Подобно белковым каркасам фотосинтезирующих комплексов, которые обеспечивают целостность молекулы хлорофилла (как мы узнали из главы 4), криптохромные белки оборачиваются вокруг молекулы пигмента под названием ФАД (флавинадениндинуклеотид), который поглощает синий свет. Так же как в процессе фотосинтеза, поглощенный свет выбивает электрон из пигмента, что приводит к генерации сигнала, который поступает в мозг мушки, чтобы синхронизировать ее внутренние часы с каждодневной сменой дня и ночи. Мушки-мутанты, обнаруженные в 1998 году, утратили этот белок, так что их биологические часы уже не приспосабливаются к циклической смене дня и ночи: они утратили внутреннее ощущение времени.
Похожие криптохромные пигменты были позже найдены в глазах многих других животных, включая человека, и даже у растений и у фотосинтезирующих микробов, которым они помогают предсказывать время суток, лучше всего подходящее для фотосинтеза. Они могут представлять собой очень древний светочувствительный «датчик», который развился у микробов миллиарды лет назад, чтобы синхронизировать жизнедеятельность клетки с суточными ритмами.
Криптохром также обнаружили и в антеннах бабочек-монархов. Это изначально ставило ученых в тупик: что зрительному пигменту делать в антеннах? Но усики насекомых являются удивительными органами, которые отвечают сразу за несколько чувств, в том числе за обоняние и слух, определение давления воздуха и даже силы тяжести. Могут ли они также отвечать за внутренние часы насекомого? Чтобы проверить эту гипотезу, ученые окрасили усики некоторых бабочек в черный цвет, тем самым предотвращая прием световых сигналов. Они обнаружили, что бабочки с зачерненными антеннами уже не могли подстраивать свой солнечный компас к смене дня и ночи: они утратили циркадное чувство. Ученые предположили, что именно в антеннах бабочки и размещаются биологические часы. Примечательно, что часы в антеннах бабочки могут улавливать свет даже при отделении от насекомого.
Действительно ли криптохром отвечает за подстройку биологических часов монарха? К сожалению, гены бабочек мутируют вовсе не так легко, как гены дрозофил, так что в 2008 году Стивен Репперт и его коллеги из Университета штата Массачусетс осуществили следующий замечательный эксперимент. Команда заменила поврежденный криптохромный ген у дрозофил-мутантов на здоровый ген бабочек-монархов и доказала, что способность синхронизировать внутренние часы со сменой дня и ночи у этих мушек была восстановлена[85]. Если криптохрому здоровых бабочек удалось вернуть плодовым мушкам чувство времени, то весьма вероятно, что он помогает как следует работать и таким важным биологическим часам монархов, которые позволяют долететь от Торонто до Мексики, ни разу не сбившись с пути.
Но какое отношение это все имеет к квантовой механике? Ответ относится к другому аспекту миграции животных, который мы называем «магниторецепция» — способность обнаруживать магнитное поле Земли. Как мы узнали из главы 1, многие существа, в том числе плодовые мушки и бабочки, обладают такой способностью, как магниторецепция. Обладают ею и малиновки, которые стали олицетворением квантовой биологии. К 2008 году стало ясно, что магнитное чувство малиновок как-то связано со светом (подробнее об этом позже), но природа светочувствительных рецепторов была неуловима. Стивен Репперт задался вопросом, может ли криптохром, который отвечает за светочувствительность мух и помогает им настраивать их внутренние часы, также отвечать и за магниторецепцию. Чтобы проверить свою теорию, он провел эксперимент вроде того, что был предпринят Габриэле Герлах, чтобы продемонстрировать обонятельную навигацию у рыб-клоунов (см. главу 5), в котором тестируемое животное вынуждено использовать сенсорные сигналы, чтобы выбрать один из двух путей к пище.
Исследователи обнаружили, что мух можно обучить связывать сладкое вознаграждение с наличием магнитного поля. Когда им предоставлялась возможность выбора лететь в намагниченный или ненамагниченный рукав лабиринта (без пищи, то есть без обонятельных сигналов), они выбирали намагниченный путь. Должно быть, мухи чувствуют магнитное поле. Так принимает ли в этом участие криптохром? Исследователи обнаружили, что дрозофилы-мутанты, у которых криптохрома не хватает, одинаково часто летели в оба рукава, демонстрируя, что криптохром имеет важное значение для их магнитной чувствительности.
В своей работе 2010 года группа Репперта также показала, что мухи сохраняют свою магнитную чувствительность и тогда, когда их криптохромные гены заменяют генами, кодирующими криптохром у бабочек-монархов[86]. Это доказывает, что бабочка-монарх может также использовать криптохром для обнаружения магнитного поля Земли. Работа той же группы ученых в 2014 году показала, что, как и европейская малиновка, с которой мы познакомились в главе 1, бабочка-монарх обладает светочувствительным компасом, который она использует, чтобы найти свой путь от Великих озер до мексиканских гор; и, как и предполагалось, он должен находиться в антеннах[87].
Но каким образом световой пигмент также может обнаруживать невидимое магнитное поле? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к нашей знакомой европейской малиновке.
Птичий компас
Как мы уже отмечали в главе 1, наша планета представляет собой гигантский магнит с магнитным полем, влияние которого распространяется от внутреннего ядра в космос на тысячи километров. Этот намагниченный «пузырь», «магнитосфера», защищает все живое на Земле, потому что без него солнечный ветер — поток высокоэнергетических частиц, испускаемых Солнцем, — давно бы уничтожил нашу атмосферу. И в отличие от магнетизма обычного стержневого магнита, поле Земли меняется с течением времени, потому что его источником является расплавленное железное ядро Земли. Точно о