Однією з відомих біологічних особливостей птахів є періодичні міграції. Здатність до польоту дозволяє їм переміщуватись на значні відстані, інколи проводячи різні пори року в різних частинах земної кулі. Часто переліт – це довгий та небезпечний шлях, а місця зупинки можуть бути розташовані одне від одного на значній відстані. Наприклад, ісландські побережники (Calidris cantus), що гніздяться в арктичних тундрах, а зимують на морських узбережжях південної півкулі, харчуються тільки на мілководних морських узбережжях зі специфічними умовами. Місця їх гніздування та придатні для зимівлі ділянки морських узбереж знаходяться на відстані тисячі кілометрів одне від одного. Переліт між цими районами досить небезпечний та потребує багато енергії, а отже ціна помилки в навігації надто висока. Яким чином птахи знаходять шлях від місць зимівлі до місць гніздування та навпаки, що допомагає їм не збитися з дороги в незнайомих для них умовах? Здатність птахів до орієнтації в глобальному масштабі є одним з ключових біологічних питань.

Схема міграційних шляхів різних популяцій ісландського побережника (Calidris cantus). Видно, які відстані лежать між різними місцями зупинок.

(Джерело: http://nordpil.com/go/portfolio/mapsgraphics/red-knot-migration/)

В останні 20 років в напрямку вивчення орієнтації птахів був зроблений значний прорив: використання широкого спектру наукових даних дозволило наблизитись до розуміння того, які ознаки і які органи чуття птахи використовують для навігації.

Існують чисельні вражаючі підтвердження здатності птахів до орієнтації. Коли мігруючих птахів в порядку експерименту перевозили на великі відстані в невідомі для них місця, вони досить швидко знаходити зворотній шлях. Темноспинні альбатроси (Phoebastria immutabilis) пролітали 6630 кілометрів від Філіппін до своїх гніздівель в атоллі Мідуей в Тихому океані за місяць, білі лелеки (Ciconia alba), яких перевозили з Польщі до Палестини, здолали ці 2269 км за 19 днів.

Ще цікавіше виглядають досліди, коли птахів переміщували далеко від пролітних шляхів на початку міграції і вони так коригували свій напрямок міграції, щоб все одно потрапити до своїх звичайних місць зимівлі. Білоголових зонотріхій (Zonotrichia leucophrys), які гніздяться на півночі Північній Америці, а зимують на півдні цього материка, переміщали більш ніж на 3000 км від районів їх зимівель, але вони все одно повертались до звичних територій.Загальною особливістю всіх цих експериментів є те, що до такої навігації здатні лише дорослі птахи, які вже мають досвід міграції і бували на своїх місцях зимівель.

Білоголова зонотріхія (Zonotrichia leucophrys) – популярний об’єкт досліджень орієнтації птахів в Північній Америці.

(Джерело: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cb/Zonotrichia-leucophrys-011.jpg)

Спостереження за мігруючими альбатросами показують, що ці птахи ще з відстані близько 500 кілометрів здатні брати прямий курс на ті острови, де знаходяться їх гніздівлі так, наче вони мають власну навігаційну систему на кшталт GPS.

Саме з глобальною системою позиціонування (GPS) у сучасної людини асоціюється здатність птахів до навігації. Наша система навігації заснована на закономірній зміні двох показників: висоти сонця над горизонтом (широта) та часу сходу та заходу сонця (довгота). Основна теорія, що пояснює навігаційні здатності птахів, полягає в тому, що птахи також використовують глобальні зміни якихось показників для встановлення свого положення в просторі за допомогою двох координат.

Які це чуття? Припустимо, встановити висоту сонця над горизонтом не важко. Але спеціальні досліди показали, що «внутрішні часи» птахів калібруються саме по часу сходу та заходу сонця, отже встановити по ним, що в одній точці земної кулі сонце сходить раніше, ніж в іншій, неможливо. Тому увага дослідників була прикута до пошуку інших сигналів.Були запропоновані кілька варіантів: зміни запахів, інфразвуки, викликані геологічними або кліматичними явищами, інтенсивність та нахил магнітного поля землі.

Темноспинний альбатрос (Phoebastria immutabilis)

Досить цікаві дані були отримані при вивченні ролі запахів в навігації птахів. Численні дослідження засвідчили, що поштові голуби дійсно активно використовують запахи для орієнтації в просторі, здатні слідувати по вітру до джерела запаху, який асоціюється у них з голуб’ятнею. Але існує суттєве обмеження використання запахів для навігації: в природі жодні глобальні зміни запахів не сягають більш ніж на кількасот кілометрів, отже вони скоріше придатні для локальної орієнтації, ніж для глобальної навігації. Згідно однієї з теорій, відчуття запахів дійсно еволюційно виникло у тварин як засіб орієнтації в просторі, але у сучасних птахів відчуття запахів слугує скоріше пусковим механізмом, який включає інші, більш прогресивні системи навігації підчас міграційного періоду.

Найбільший прорив відбувся в вивченні здатності птахів відчувати магнітне поле. Ще в ХІХ сторіччі було висловлено припущення, що птахи здатні відчувати напруженість магнітного поля, і це допомагає їм орієнтуватись. В найпростішому вигляді полярність магнітного відчуття даватиме напрямок до полюсів, як в компасі, але не дані про своє положення в просторі («координати», які важливі для навігації). Але є інші характеристики магнітного поля – напруженість, яка зростає в напрямку до магнітних полюсів і спадає біля екватору, та магнітне нахилення, або кут силових ліній магнітного поля відносно поверхні землі. Ці показники різні в різних широтах і здатність їх відчувати могла би слугувати аналогом системи глобального позиціонування для птахів.

У магнітного поля як для засобу навігації є також мінуси: існують чисельні магнітні аномалії, в яких використовувати показники магнітного поля складно, а ще зміни магнітного поля настільки слабкі, що відчуваються тільки на великих відстанях.

На даний момент існують докази того, що щонайменше 24 види птахів здатні відчувати магнітні поля та використовувати їх для навігації. Улюблений об’єкт досліджень орієнтації птахів, поштові голуби, гірше орієнтуються в місцях магнітних аномалій. Вільшанки (Erithacus rubecula) є одним з хрестоматійних прикладів: ще в 1970-х роках завдяки маніпуляціям з магнітним полем в експериментальних умовах було встановлено, що ці птахи реагують на нахилення магнітних ліній, встановлюючи напрям на північ і, виходячи з цього, обирають напрямок свого руху підчас міграції.

Поштовий голуб

Яким чином птахи відчувають магнітні поля? В організмі птахів наявні дві структури, чутливі до змін магнітного поля, одна з них пов’язана з фізичними властивостями деяких рецепторних молекул, а інша з наявністю намагнічених частинок в тканях.

Кріптохроми – чутливі до світла білки, які є частиною фоторецепторів тварин, під впливом світла здатні утворювати пари вільних радикалів. Завдяки своїм фізичним властивостям пари радикалів чутливі до змін магнітного поля, а ще вони здатні запускати ланцюгові хімічні реакції. Ці властивості є передумовою появи чутливості до магнітного поля. Як доказ, здатність птахів орієнтуватись в магнітному полі пов’язана з опроміненням їх світлом з певною довжиною хвилі, а також тим, що птахи, у яких частина мозку, відповідальна нічний зір, пошкоджена, не здатні реагувати на зміни магнітного поля.Оскільки інформація з фоторецепторів аналізується частиною мозку, відповідальною за обробку зорової інформації, можна припустити, що птахи здатні «бачити» зміни магнітного поля. Нам залишається тільки здогадуватись, які образи при цьому виникають в їх мозку.

Особливість такого механізму сприйняття інформації про магнітне поле в тому, що радіосигнали певної довжини хвилі будуть його «глушити». Досліди показали, що птахи при опроміненні такими сигналами втрачають магнітне чуття. Більше того, нещодавно при проведенні дослідів на малинівках в умовах міст було встановлено, що велика кількість інтенсивних радіосигналів негативно впливає на птахів, в великих містах вони навіть можуть втрачати здатність до навігації.

Феромагнетики – природно намагнічені сполуки, які зустрічаються в багатьох тканинах живих організмів. Найбільш відомий з них – магнетит. Існує припущення, що спеціальні рецептори птахів здатні встановлювати орієнтацію кристалів магнетиту, які орієнтуються вздовж силовий ліній магнітного поля. Спеціальні досліди з використанням магнітних імпульсів, які здатні змінити положення цих кристалів, дійсно впливають на птахів, але не зовсім так, як передбачалось. Отже, птахи мають феромагнетичні рецептори, але дещо складніші за будовою. Де вони розташовані – це велике питання, бо не так легко знайти такі мікроскопічні структури в організмі навіть дрібного птаха. Експерименти з анестезією нервів показали, що скоріш за все ці рецептори розташовані в основі верхньої частини дзьоба. Цікаво, що всі ці ефекти проявляються лише у мігруючих видів і лише у дорослих птахів, які вже мають досвід міграції.

Скоріш за все птахи мають обидві системи магнітного чуття, але для того, щоб навчитись користуватись цими чуттями, птахам потрібен досвід міграції. Тільки побувавши в різних частинах світу і зрозумівши, що ці показники закономірно змінюються в просторі, птахи вчаться використовувати їх для навігації. Міграції молодих птахів більш стереотипні: вони схильні притримуватись певного (вродженого?) напрямку, але не знають, куди це їх приведе.

Здатність до відчуття магнітного поля відома для комах, кажанів та навіть великих ратичних тварин, але точні механізми його сприйняття ще належить встановити.

• Thorup, K., and Holland, R.A. (2009).The bird GPS – long-range navigation in migrants. J ExpBiol212, 3597–3604.
• Holland, R.A. (2014). True navigation in birds: from quantum physics to global migration. Journal of Zoology 293 (1), 1-15.
• Morrison J. (2014) Electronics' noise disorients migratory birds. Nature news (http://www.nature.com/news/electronics-noise-disorients-migratory-birds-1.15176)