Представьте себе, что вы - молодой барханный песочник, крупная, ногастая береговая птица с длинным, прощупывающим клювом, вылупившаяся в тундре Аляски. Когда дни становятся короче и надвигается ледяная зима, вы чувствуете желание отправиться в одну из самых впечатляющих миграций на Земле: беспосадочный трансеквентальный перелет продолжительностью не менее семи дней и ночей через Тихий океан в Новую Зеландию на расстояние 12 000 километров. Сделать или умереть. Каждый год десятки тысяч белохвостых поганок успешно завершают это путешествие. Миллиарды других молодых птиц, включая пеночек и мухоловок, крачек и куликов, каждую весну отправляются в столь же захватывающие и опасные миграции, умело ориентируясь в ночном небе без помощи более опытных птиц.
Люди издавна ломали голову над сезонными появлениями и исчезновениями птиц. Аристотель считал, что некоторые птицы, например, ласточки, впадают в спячку в холодные месяцы, а другие превращаются в другие виды - краснозобики на зиму превращаются в малиновку, предположил он. Только в прошлом веке или около того, с появлением повязок, спутникового слежения и более распространенных полевых исследований, исследователи смогли связать популяции птиц, которые зимуют в одном районе, а гнездятся в другом, и показать, что некоторые из них ежегодно преодолевают огромные расстояния между этими двумя местами. Примечательно, что даже несовершеннолетние дальние путешественники знают, куда идти, а птицы часто выбирают одни и те же маршруты из года в год. Как они находят дорогу?
Перелетные птицы используют для навигации небесные ориентиры, так же как моряки прошлого использовали солнце и звезды. Но в отличие от людей, птицы также обнаруживают магнитное поле, создаваемое расплавленным ядром Земли, и используют его для определения своего положения и направления. Несмотря на более чем 50-летние исследования магниторецепции птиц, ученые до сих пор не могут понять, как именно они используют эту информацию, чтобы не сбиться с курса. Недавно нам и другим ученым удалось проникнуть в эту непреходящую тайну. Наши экспериментальные данные указывают на нечто экстраординарное: компас птиц опирается на тонкие, принципиально квантовые эффекты в короткоживущих молекулярных фрагментах, известных как радикальные пары, образующиеся фотохимическим путем в их глазах. То есть, похоже, что эти существа способны "видеть" линии магнитного поля Земли и использовать эту информацию, чтобы проложить курс между местами размножения и зимовки.

Таинственное чувство

У перелетных птиц есть внутренние часы с годовым ритмом, который, помимо прочего, подсказывает им время миграции. Они также наследуют от своих родителей направления, в которых им нужно лететь осенью и весной, и если родители имеют разные генетически закодированные направления, их потомство в итоге будет иметь промежуточное направление. Например, если птицу, мигрирующую на юго-запад, скрестить с птицей, мигрирующей на юго-восток, то их потомство, когда придет время, направится на юг. Но как молодые птицы узнают, какое направление - юго-западное, южное или юго-восточное? В их распоряжении по крайней мере три различных компаса: один позволяет им извлекать информацию из положения солнца на небе, другой использует узоры звезд ночью, а третий основан на постоянно присутствующем магнитном поле Земли.


В свою первую осень молодые птицы следуют унаследованным инструкциям, например, "три недели лети на юго-запад, а затем две недели на юго-юго-восток". Если они совершают ошибку или сбиваются с курса, они, как правило, не могут восстановиться, потому что у них еще нет действующей карты, которая подсказала бы им, где они находятся. Это одна из причин, по которой только 30 процентов мелких певчих птиц выживают после первой миграции к местам зимовки и обратно. Во время первой миграции птица строит в своем мозгу карту, которая в последующих путешествиях позволит ей ориентироваться с точностью до сантиметров на протяжении тысяч километров. Некоторые птицы из года в год выводят потомство в одном и том же гнезде и спят на одном и том же насесте в местах зимовки. Вооружившись такой картой, около 50 процентов взрослых певчих птиц каждый год возвращаются на место гнездования для размножения.
Навигация перелетных птиц осуществляется с помощью нескольких органов чувств - в основном зрения, обоняния и магниторецепции. Наблюдая за видимым ночным вращением звезд вокруг Полярной звезды, птицы учатся определять север еще до начала своей первой миграции, а внутренние 24-часовые часы позволяют им калибровать свой солнечный компас. Характерные запахи помогают птицам узнавать места, где они уже бывали. Ученые многое знают о детальных биофизических механизмах зрения и обоняния птиц. Но внутреннюю работу их магнитного компаса понять оказалось сложнее.
Магнитное чувство направления у мелких певчих птиц, мигрирующих ночью, примечательно в нескольких важных аспектах. Во-первых, наблюдения за птицами в клетках, подвергнутыми воздействию тщательно контролируемых магнитных полей, показывают, что их компас ведет себя не так, как намагниченная игла в корабельном компасе. Птица определяет ось магнитного поля и угол, который оно составляет с поверхностью Земли, - так называемый компас наклона. В лабораторных экспериментах инвертирование направления магнитного поля так, чтобы оно указывало в прямо противоположном направлении, не влияет на способность птицы правильно ориентироваться. Во-вторых, восприятие птицей магнитного поля Земли может быть нарушено чрезвычайно слабыми магнитными полями, которые меняют свое направление несколько миллионов раз в секунду. Наконец, несмотря на то, что певчие птицы летают ночью при тусклом свете звезд, их магнитный компас зависит от света, что указывает на связь между зрением и магнитным восприятием.
В 1978 году, пытаясь объяснить эти особенности птичьей магниторецепции, Клаус Шультен, работавший тогда в Институте биофизической химии имени Макса Планка в Геттингене (Германия), выдвинул замечательную идею: компас опирается на магниточувствительные химические превращения. На первый взгляд, это предложение кажется абсурдным, поскольку энергия магнитного поля Земли в миллионы раз слишком мала, чтобы разрушить или даже значительно ослабить связи между атомами в молекулах. Но Шультен был вдохновлен открытием, сделанным 10 лет назад, что короткоживущие химические промежуточные продукты, известные как радикальные пары, обладают уникальными свойствами, которые делают их химию чувствительной к слабым магнитным взаимодействиям. За последние 40 лет исследователи провели сотни лабораторных исследований реакций радикальных пар, на которые влияет применение магнитного поля.
Чтобы понять, почему радикальные пары такие особенные, мы должны поговорить о квантово-механическом свойстве электрона, известном как спиновый угловой момент, или сокращенно "спин". Спин - это вектор, имеющий как направление, так и величину, и его часто изображают стрелкой, например, ↑ или ↓. Частицы со спином обладают магнитными моментами, то есть ведут себя как микроскопические магниты. Большинство молекул имеют четное число электронов, расположенных парами с противоположными спинами (⇅), которые, таким образом, аннулируют друг друга. Радикалы - это молекулы, которые потеряли или приобрели электрон, то есть они содержат нечетный, неспаренный электрон и, следовательно, имеют спин и магнитный момент. Когда в результате химической реакции одновременно образуются два радикала (именно это мы понимаем под радикальной парой), два неспаренных электрона, по одному в каждом радикале, могут иметь либо антипараллельные спины (⇅), либо параллельные спины (↑↑), известные как синглетное и триплетное состояния, соответственно.
Сразу же после создания радикальной пары в синглетном состоянии, внутренние магнитные поля заставляют два электронных спина пройти сложный квантовый "вальс", в котором синглет превращается в триплет, а триплет снова превращается в синглет миллионы раз в секунду в течение периодов до нескольких микросекунд. Очень важно, что при соответствующих условиях на этот танец могут влиять внешние магнитные поля. Шультен предположил, что этот тонкий квантовый эффект может лечь в основу магнитного компаса, который может реагировать на стимулы окружающей среды в миллион раз слабее, чем обычно считается возможным. Исследования, проведенные нами и другими учеными в последние годы, вновь подтвердили эту гипотезу.


Возможный механизм

Чтобы быть полезными, гипотезы должны объяснять известные факты и делать проверяемые предсказания. Два аспекта предложенного Шультеном механизма компаса согласуются с тем, что известно о компасе птиц: радикальные пары безразличны к точным изменениям внешнего магнитного поля, а радикальные пары часто образуются, когда молекулы поглощают свет. Учитывая, что магнитный компас птиц зависит от света, гипотеза Шультена предполагает, что их глаза играют определенную роль в магнитной сенсорной системе. Около 10 лет назад исследовательская группа одного из нас (Моуритсен) в Университете Ольденбурга в Германии обнаружила, что область мозга под названием кластер N, которая получает и обрабатывает визуальную информацию, является наиболее активной частью мозга, когда некоторые ночные птицы используют свой магнитный компас. При дисфункции кластера N, как показало исследование на перелетных европейских малиновках, птицы все еще могут использовать свои солнечные и звездные компасы, но они не способны ориентироваться с помощью магнитного поля Земли. Из подобных экспериментов ясно, что датчики магнитного компаса расположены в сетчатке глаза птиц.
Одно из первых возражений против гипотезы радикал-пары заключалось в том, что никто еще не доказал, что магнитные поля, такие крошечные, как земные, которые в 10-100 раз слабее магнита холодильника, могут влиять на химическую реакцию. Чтобы ответить на этот вопрос, Кристиана Тиммель из Оксфордского университета и ее коллеги выбрали молекулу, химически не похожую на ту, которую можно найти внутри птицы: молекула содержала молекулу-донор электронов, связанную с молекулой-акцептором электронов посредством молекулярного мостика. Облучение молекул зеленым светом вызвало переход электрона от донора к акцептору на расстояние около четырех нанометров. Образовавшаяся в результате этой реакции радикальная пара была чрезвычайно чувствительна к слабым магнитным взаимодействиям, доказывая, что на реакцию радикальной пары действительно может влиять наличие - и, что более важно, направление - магнитного поля земной силы.
Гипотеза Шультена также предсказывает, что в сетчатке глаза должны существовать сенсорные молекулы (магниторецепторы), в которых могут создаваться магниточувствительные радикальные пары с использованием длин волн, необходимых птицам для работы их компаса, которые в другом направлении исследований были определены как свет, сосредоточенный в синей области спектра. В 2000 году он предположил, что необходимая фотохимия может происходить в недавно открытом тогда белке под названием криптохром.
Криптохромы встречаются в растениях, насекомых, рыбах, птицах и людях. Они выполняют различные функции, включая светозависимый контроль роста растений и регуляцию циркадных часов. Что делает их привлекательными в качестве потенциальных датчиков компаса, так это то, что они являются единственными известными в природе фоторецепторами позвоночных, которые образуют радикальные пары при поглощении синего света. В глазах перелетных птиц было обнаружено шесть типов криптохромов, и за последние 20 лет не появилось ни одного другого типа молекул-кандидатов в магниторецепторы.
Как и все другие белки, криптохромы состоят из цепочек аминокислот, свернутых в сложные трехмерные структуры. В центре многих криптохромов находится желтая молекула флавин-аденин-динуклеотида (ФАД), которая, в отличие от остальной части белка, поглощает синий свет. Среди 500 или около того аминокислот, из которых состоит типичный криптохром, находится примерно линейная цепочка из трех или четырех аминокислот триптофана, тянущаяся от FAD к поверхности белка. Сразу же после того, как FAD поглощает синий фотон, электрон из ближайшего триптофана перепрыгивает на флавиновую часть FAD. Затем первый триптофан притягивает электрон от второго триптофана и так далее. Таким образом, цепочка триптофанов ведет себя как молекулярный провод. В результате образуется радикальная пара из отрицательно заряженного радикала FAD в центре белка и, на расстоянии двух нанометров, положительно заряженного радикала триптофана на поверхности белка.
В 2012 году один из нас (Хоре), работая с коллегами из Оксфорда, провел эксперименты, чтобы проверить пригодность криптохрома в качестве магнитного сенсора. В исследовании использовался криптохром-1, белок, обнаруженный в Arabidopsis thaliana, растении, в котором криптохромы были открыты 20 лет назад. Используя короткие лазерные импульсы для создания радикальных пар внутри очищенных белков, мы обнаружили, что можем точно регулировать их последующие реакции, применяя магнитные поля. Все это было очень обнадеживающе, но, конечно, растения не мигрируют.
Нам пришлось ждать почти десять лет, прежде чем мы смогли провести аналогичные измерения на криптохроме перелетной птицы. Первой задачей было решить, какой из шести птичьих криптохромов следует изучать. Мы выбрали криптохром-4a (Cry4a), отчасти потому, что он связывает FAD гораздо сильнее, чем некоторые его собратья, а если в белке нет FAD, то не будет радикальных пар и магнитной чувствительности. Эксперименты в Ольденбурге также показали, что уровень Cry4a в организме перелетных птиц выше во время весенней и осенней миграции, чем зимой и летом, когда птицы не мигрируют. Компьютерное моделирование, проведенное Ильей Соловьевым в Ольденбурге, показало, что Cry4a европейского робина имеет цепь из четырех триптофанов - на один больше, чем Cry1 из арабидопсиса. Естественно, мы задались вопросом, не эволюционировала ли удлиненная цепь для оптимизации магнитного восприятия у перелетных птиц.
Нашей следующей задачей было получение большого количества высокочистого Cry4a малиновки. Цзинцзин Сюй, аспирантка из лаборатории Моуритсена, решила ее. После оптимизации экспериментальных условий она смогла использовать культуры бактериальных клеток для получения образцов белка с правильно связанным FAD. Она также подготовила версии белка, в которых каждый из четырех триптофанов был заменен, по очереди, на другую аминокислоту, чтобы заблокировать прыжки электронов в каждом из четырех положений цепи. Работа с этими альтернативными версиями белка позволила бы нам проверить, действительно ли электроны прыгают по всей триптофановой цепи.
Мы отправили эти образцы - первые очищенные криптохромы мигрирующих животных - в Оксфорд, где Тиммел и ее муж, Стюарт Маккензи, изучили их с помощью чувствительных лазерных методов, которые они разработали специально для этой цели. Их исследовательские группы обнаружили, что и третий, и четвертый радикалы триптофана в конце цепи магниточувствительны в паре с радикалом FAD. Мы подозреваем, что триптофаны работают совместно для эффективного магнитного зондирования, биохимической сигнализации и пеленгации. Мы также предполагаем, что присутствие четвертого триптофана может усилить начальные этапы передачи сигнала, процесс, в ходе которого генерируются нервные импульсы, кодирующие направление магнитного поля, и в конечном итоге передаются по зрительному нерву в мозг. В настоящее время мы проводим эксперименты по выявлению белков, взаимодействующих с Cry4a.
Еще одна находка в области криптохрома заслуживает упоминания. Мы сравнили Cry4a малиновки с чрезвычайно похожими белками Cry4a двух немигрирующих птиц, голубей и цыплят. Белок малиновки обладал наибольшей магнитной чувствительностью, намекая на то, что эволюция могла оптимизировать Cry4a малиновки для навигации.

Открытые вопросы

Хотя эти эксперименты подтверждают, что Cry4a обладает некоторыми свойствами, необходимыми для магниторецептора, мы все еще далеки от доказательства того, как перелетные птицы воспринимают линии магнитного поля Земли. Следующий важный шаг - определить, действительно ли радикальные пары образуются в глазах перелетных птиц.


Наиболее перспективный способ проверки наличия радикальных пар в глазах птиц был вдохновлен работой химиков и физиков, которые в 1980-х годах показали, что флуктуационные магнитные поля изменяют реакцию радикальных пар на статические магнитные поля. Они предсказали, что слабое радиочастотное электромагнитное поле, колеблющееся с теми же частотами, что и "вальс синглет-триплет", может помешать птицам использовать свой магнитный компас. Торстен Ритц из Калифорнийского университета в Ирвайне и его коллеги первыми подтвердили это предсказание в 2004 году.
В 2007 году Моуритсен начал аналогичные поведенческие эксперименты в своей лаборатории в Ольденбурге - и получил интригующе разные результаты. Весной и осенью птицы, путешествующие между местами гнездования и зимовки, демонстрируют поведение, называемое Zugunruhe, или миграционное беспокойство, как будто им не терпится отправиться в путь. В клетке эти птицы обычно используют свой магнитный компас, чтобы инстинктивно ориентироваться в направлении, в котором они летели бы в дикой природе. Моуритсен обнаружил, что европейские робинзоны, которых тестировали в деревянных домиках в кампусе его университета, не смогли сориентироваться с помощью магнитного компаса. Он заподозрил, что слабый радиочастотный шум (иногда называемый электросмогом), создаваемый электрическим оборудованием в близлежащих лабораториях, мешал магнитному компасу птиц.


Чтобы подтвердить, что источником проблемы является электросмог, Моуритсен и его команда обложили хижины алюминиевыми листами, чтобы блокировать паразитные радиочастоты. В ночи, когда экраны были заземлены и функционировали должным образом, птицы хорошо ориентировались в магнитном поле Земли. В те ночи, когда заземление было отключено, птицы прыгали в произвольном направлении. При тестировании в неэкранированном деревянном укрытии, обычно используемом для лошадей, в нескольких километрах за городом и вдали от электрического оборудования, те же птицы без проблем определяли направление магнитного поля.
Эти результаты важны по нескольким параметрам. Если радиочастотные поля воздействуют на магнитный датчик, а не, скажем, на какой-либо компонент сигнального пути, по которому нервные импульсы передаются в мозг, то они являются убедительным доказательством того, что в основе магнитного компаса птиц лежит радикально-парный механизм. Основная конкурирующая гипотеза, которая в настоящее время имеет гораздо меньше поддержки, предполагает, что датчиками являются магнитные железосодержащие минералы. Любые такие частицы, достаточно крупные, чтобы выровняться, как игла компаса, в магнитном поле Земли, были бы слишком велики, чтобы вращаться в гораздо более слабом поле, которое меняет свое направление миллионы раз в секунду. Кроме того, радиочастотные поля, нарушившие магнитную ориентацию птиц, поразительно слабы, и мы пока не понимаем, как именно они могли испортить информацию о направлении, доступную в гораздо более сильном магнитном поле Земли.
Примечательно также, что птицы в лаборатории Ольденбурга были дезориентированы гораздо эффективнее широкополосным радиочастотным шумом (беспорядочно колеблющимися магнитными полями с различными частотами), чем одночастотными полями, которые в основном использовали Ритц и его коллеги. Мы надеемся, что, подвергая перелетных певчих птиц воздействию полос радиочастотного шума с различными частотами, мы сможем определить, действительно ли сенсорами являются радикальные пары FAD-триптофан или, как предполагают некоторые другие исследователи, здесь может быть задействована другая радикальная пара.
Остается много вопросов о магнитном компасе птиц, в том числе, существует ли эффект магнитного поля на Cry4a малиновки, наблюдаемый in vitro, также и in vivo. Мы также хотим выяснить, не мешает ли перелетным птицам с генетически подавленной выработкой Cry4a ориентироваться с помощью магнитного компаса. Если мы сможем доказать, что за магнитным чувством in vivo стоит механизм радикал-пары, то мы покажем, что биологическая сенсорная система может реагировать на стимулы в несколько миллионов раз слабее, чем считалось ранее. Это понимание расширит наше представление о биологической чувствительности и даст новые идеи для искусственных сенсоров.
Работа по достижению полного понимания внутренних навигационных систем перелетных птиц - это не просто интеллектуальное занятие. Одним из последствий огромных расстояний, которые преодолевают перелетные птицы, является то, что они сталкиваются с более острыми угрозами для своего выживания, чем большинство видов, которые размножаются и зимуют в одном и том же месте. Их труднее защитить от вредного воздействия человеческой деятельности, разрушения среды обитания и изменения климата. Переселение мигрирующих особей из поврежденных мест обитания редко бывает успешным, поскольку птицы инстинктивно возвращаются в эти непригодные для жизни места. Мы надеемся, что благодаря новым и более механистическим знаниям о том, как эти необычные навигаторы находят свой путь, у специалистов по охране природы будет больше шансов "обмануть" мигрантов, заставив их поверить, что более безопасное место действительно является их новым домом.
Когда вы в следующий раз увидите маленькую певчую птицу, сделайте паузу и подумайте о том, что недавно она могла пролететь тысячи километров, ориентируясь с большим мастерством с помощью мозга весом не более грамма. Тот факт, что квантовая спиновая динамика могла сыграть решающую роль в его путешествии, только усиливает благоговение и удивление, с которым мы должны относиться к этим необычным существам.Источник: "Scientific American"