Навигационная система животных

Содержание

История исследования миграции животных

Как мигрирующие животные находят дорогу домой, будучи в незнакомой местности? В поисках пищи животные иногда удаляются от места своего постоянного обитания на 100 километров и более независимо от погодных условий.

История исследования миграции животных

Многие виды птиц совершают дальние, на многие тысячи километров, перелеты от мест гнездования к местам зимовок и обратно, возвращаясь год за годом с исключительной точностью туда, где родились. Как они определяют направление?

Особый интерес у многих специалистов вызывает пространственная ориентация птиц. Одних она привлекает как возможное средство управления поведением птиц, других — как прообраз технических устройств навигации, третьих — как средство связи и коммуникативного общения, четвертых — сама по себе, как уникальное биологическое явление.

Долгое время навигацию птиц объясняли тем, что они используют обычные зрительные ориентиры, то есть топографические особенности местности, например, горы, береговые линии, леса, реки и т. п., а также какие-либо небесные ориентиры, например, положение луны, звезд, солнца во время восхода или захода и т. д.

Однако, чтобы пользоваться подобными ориентирами, надо их хотя бы раз увидеть и запомнить.

За последние же три десятка лет в ряде экспериментов было обнаружено, например, что молодые голуби, никогда раньше не удалявшиеся от голубятни и увезенные на расстояние 100 километров, находят направление к ней в течение первой минуты после того, как они выпущены.

Это означает, что птицы могут не пользоваться зрительными ориентирами, поскольку в подобных опытах местность была им незнакома.

Более того, почтовые голуби, снабженные матовыми контактными линзами, которые позволяли им различать предметы, удаленные лишь на несколько метров, все же точно определяли направление к дому, когда их выпускали в отдаленных пунктах.

Навигационная система животных

Еще более удивительно, что многие из них ухитрялись приблизиться к голубятне на расстояние около километра и иногда приземлялись поблизости от нее.

Это со всей очевидностью указывает, что у голубей имеется навигационная система, обладающая феноменальной точностью и вовсе не зависящая от зрительного восприятия объектов на местности.

Чтобы все это объяснить, исследователи вернулись было к гипотезе магнитной ориентации, предложенной более ста лет назад русским натуралистом А. Миддендорфом, — ей в последние десятилетия уделяется много внимания.

И действительно, у живых организмов был обнаружен магнитный минерал – биогенный магнетит, с которым стали связывать чувствительность к магнитному полю Земли.

Однако гипотетический механизм магниторецепции у животных предполагает упорядочивающее действие магнитного поля на гранулы магнетита.

Это, наверное, могло бы служить основой «компасного чувства», но для точного определения компасного направления магнетитных гранул у птицы должно быть несколько миллионов.

Столь крупных скоплений частиц биогенного магнетика у птиц и других животных не обнаружено и соответственно не найден такой анализатор геомагнитного поля, чтобы чувствовал изменение направления в плоскости горизонта хотя бы на один градус.

До сих пор ни одному исследователю не удалось выработать условные рефлексы у птиц, используя в качестве раздражителя изменение параметров электромагнитных полей.

Иными словами, даже в специальных опытах не реагируют птицы на эти поля. Поэтому доказательств использования магнитного поля как при определении направления к цели, так и при поддержании выбранного курса, нет.

Слишком много в этом поле помех, слишком мало изменение величины его напряженности, слишком неравномерен и весьма далек от идеальной прямой полет птицы. Но ведь какой-то компас у птицы есть!

Летят они ночью, над океаном, в сплошном тумане — то есть без всяких ориентиров и точно попадают туда, куда им нужно. Одно это непреложно свидетельствует, что ведет их в пространстве и во времени высокостабильный, всепогодный надежнейший компас, причем компас естественный, природный, биогенный.

Компас у птиц

Действительно есть такой компас у птиц (и не только у них), «спрятан» он в вестибулярном аппарате, а по характеру действия — это прибор гравитационно — инерциальный. Попробуем разобраться.

Жизнь животного мира зародилась на планете Земля — космическом теле сферической формы, которое создает вокруг себя силовое гравитационное поле. Напряженность этого поля мы привыкли называть ускорением свободного падения, или — еще проще — силой тяжести, тяготения.

И знаем, что она постоянно действует на любое тело, находящееся в зоне притяжения Земли. Из любой точки своего действия эта сила направлена по радиусу к центру земного шара.

Множество этих радиусов пронизывают околоземное пространство, в котором протекает жизнь. Другой, столь же стабильной во времени, всепогодной и извечной силой, действующей на все тела на Земле, является суточное вращение Земли вокруг своей оси.

Миграции птиц совершаются над горизонтальной поверхностью Земли. Чтобы птице попасть в намеченное место, а затем вернуться домой (в точку старта), ей необходимо прежде всего ориентироваться в плоскости горизонта.

А для этого она должна иметь на своем «борту» стабилизированную горизонтальную «площадку» и расположенную на ней некую «стрелку», указывающую направление — все это в нашем понимании именуется компасом.

Как же устроен биологический компас? Представим себе голову птицы как искомую ориентируемую в пространстве, горизонтально стабилизированную платформу.

На ней, в вестибулярном аппарате размещена система парных сенсорных образований, выстланных тканью (эпителием) из волосковых клеток-рецепторов, чутко реагирующих на действие сил инерции и гравитации.

Орган слуха человека устроен следующим образом: от ушной раковины (1) вглубь головы идет слуховой проход, перекрытый барабанной перепонкой (2), за ней расположен комплекс среднего уха (4) и в конце — внутреннее ухо (3).

Каждая из клеток по сути — сверхчувствительный механо — электрический прибор, преобразующий механические колебания волосков в электрические сигналы, идущие в мозг.

При смещении кончика пучка волосков всего лишь на одну 10 и даже 100 — миллиардную долю метра клетка начинает реагировать и выдавать электрический сигнал.

На рисунке отдельно показано внутреннее ухо. К органу слуха здесь относится только улитка (5), а все остальное — полукружные каналы (1), их ампулы (2), овальный (3) и круглый (4) мешочки — есть вестибулярный аппарат, и в нем «спрятан» биологический компас.

У птиц во внутреннем ухе пять таких гравитационно-инерциальных сенсорных образований — три полукружных канала, расположенных во взаимно-перпендикулярных плоскостях, а также овальный мешочек (латинское название — утрикулюс), в котором слой рецепторного эпителия расположен горизонтально, и округлый мешочек (саккулюс) с вертикальным слоем волосковых клеток.

Все свободное пространство в мешочке-утрикулюсе и мешочке-саккулюсе заполнено жидкостью — эндолимфой. В ней, параллельно волосковому эпителию, в непосредственной близости от него находится желеобразная отолитовая мембрана, охватывающая кончики волосков-рецепторов.

С другой стороны в мембрану погружено множество мельчайших известковых ушных камней — отолитов (отсюда и название мембраны).

Когда при поворотах головы возникают ускорения, отолиты в силу инерции отстают от движения эндолимфы, и мембрана передает их давление пучкам волосков, вызывая их колебания.

В полукружных каналах, также заполненных эндолимфой, механическое раздражение волоскам-рецепторам передается несколько иначе. В каждом канале, поперек его расширенной части — ампулы — расположен слой ткани, покрытый желеобразным веществом – купулой, которая окутывает пучки волосков.

При ускорении, эндолимфа в канале отстает от движения головы и давит на мягкую, легко перемещающуюся купулу, а та заставляет изгибаться погруженные в нее волоски.

Таким образом, система в целом воспринимает все виды воздействий, причем сенсорные образования наделены специализацией: так, рецепторы полукружных каналов воспринимают угловые (вращательные) ускорения, иначе говоря, реагируют на вращение головы; мешочек-утрикулюс следит за горизонтальными перемещениями, мешочек-саккулюс контролирует опорную вертикаль места, совпадающую с направлением силы тяжести.

Важная подробность: вершина пучка каждой клетки — киноцилия — определенным образом ориентирована в пространстве, причем эта ориентация (или, как говорят специалисты, морфологическая поляризация) постоянна.

И если направление раздражающего воздействия совпадает с ориентацией киноцилии, волосковая клетка выдает сигнал максимальной силы. Если между этими направлениями образуется некий угол, то сигнал слабеет, если направления перпендикулярны — сигнала нет.

Запомним эту особенность клеток-рецепторов, на ней основана работа биологического компаса.

Впрочем, читателю, по-видимому, уже ясно, что никакого специального органа — биологического компаса нет, его роль выполняет сам вестибулярный аппарат — хорошо всем известный орган равновесия. Как же он это делает?

Выше мы упоминали две силы, постоянно действующие на Земле, — тяготение и вращение планеты. Подчиняясь им, тело летящей птицы (строго говоря, центр тяжести ее тела), куда бы она ни направлялась, вращается вместе с Землей.

Если при этом тело поднимается вверх, то действие этих сил заставляет его отклоняться на запад, если тело опускается вниз, то отклоняется на восток. А как летит птица?

Машущий полет не позволяет ей двигаться строго по горизонтали: при взмахе крыльев центр тяжести тела «провисает», а опускание (удар) крыльев подбрасывает его вверх.

Эти вертикальные отклонения от горизонтали весьма малы, но они есть, и поэтому тело летящей птицы, независимо от направления полета, приобретает реверсивное (возвратно-поступательное) поворотное ускорение в широтном направлении.

Попросту говоря, ее «мотает» туда-сюда по линии восток-запад. Эти горизонтальные смещения измеряются в миллиардных долях метра, а мы уже знаем, что этого достаточно, чтобы возбудить волосковые клетки.

Подчеркнем, что раздражает рецепторы движение отолитовой мембраны, соединенной с пучками волосков-рецепторов. Ее отолиты, подчиняясь закону инерции, отстают от перемещений рецепторного эпителия (вместе с головой) и тем самым отклоняют кончики пучков то на восток, то на запад.

Так в троллейбусе стоящие пассажиры падают вперед при резком торможении или валятся назад, если машина внезапно ускоряет ход. Вот это движение отолитовой мембраны по линии восток-запад и есть «стрелка» биологического компаса, а сила инерции, которая включает это движение, есть главная компасная сила.

Роль же самого компаса выполняет утрикулюс, рецепторный эпителий которого расположен горизонтально и, естественно, имеет овальную форму самого утрикулюса.

Клетки эпителия, точнее кончики их волосков, ориентированы (поляризованы) по радиусам овала, так что получается как бы лимб с угловыми делениями.

Поэтому любой «радиус» клеток становится «стрелкой», когда линия восток-запад совпадает с его поляризацией — клетки этого «радиуса» тут же начнут выдавать максимальный сигнал.

Благодаря такому устройству, птица, куда бы ни летела, всегда знает направление восток-запад. Это позволяет ей ориентироваться в сторонах света.

Дорога к дому

Ну, а как же она находит дорогу к дому или к месту зимовки? Как узнает, в какой стороне это место находится?

Если до сих пор речь шла о твердо установленных фактах, то тут полной ясности нет. Однако многочисленные наблюдения подводят к следующей гипотезе.

Многим из нас приходилось слышать или читать о том, что птицы, прежде чем отправиться в долгий путь, совершают облет места обитания. Утвердилось даже такое поэтичное, эмоциональное впечатление, что это-де прощальный круг.

Не будем спорить с поэтами, может быть, это действительно прощание. Наблюдатели же знают, что птицы всегда делают не один, а два круга и лишь на третьем ложатся на курс к цели.

Зачем нужны эти два, а фактически три круга? Не для того ли, чтобы с помощью своего компаса определить направление перелета?

Биологический компас работает только в полете и, едва птица взлетит, сразу начинает указывать ей линию восток-запад. Этот сигнал птица «слышит» постоянно, и логично предположить, что в какой-то момент облета возникает некий другой, единичный сигнал, который птица умеет отличить от постоянного.

На втором круге в том же месте сигнал возникает снова, и тогда на третьем круге, получив еще одно подтверждение, птица в этой точке сворачивает на курс предстоящего ей перелета.

По-видимому, и момент возникновения сигнала, и механизм его возбуждения, и умение отличить его как показатель направления перелета заложены в генетической, наследственной программе птицы.

В пользу этого предположения говорит то обстоятельство, что птенцы — сеголетки ряда видов (скворцов, например) отправляются на зимовку самостоятельно, без родителей и точно выбирают нужное направление.

Но ведь птицы умеют не только выбрать направление, но и с высокой точностью возвратиться к месту гнездования или зимовки. В этом им помогает еще одна функция внутреннего уха.

Рецепторный эпителий саккулюса, как мы знаем, расположен вертикально, соответственно ориентирована и его отолитовая мембрана. Вспомним теперь, что сила тяжести изменяется в зависимости от широты — у полюсов она выше, чем у экватора.

Соответственно и отолитовая мембрана саккулюса отклоняет волоски — рецепторы по мере движения на юг слабее, чем при возвращении к родным гнездам. А величина такого сигнала, означающая конец пути, по-видимому, также заложена в генетической памяти.

Таковы неизвестные прежде функции вестибулярного аппарата. Мы показали их на примере птиц, но такой же биологический компас есть и у наземных животных, что также установлено экспериментально.

В заключение отметим, что биологический компас не подвержен никаким известным в науке видам помех. В отличие от автономных компасов, созданных человеком, таких как гирокомпас, у биологического прибора практически отсутствуют постоянные отклонения в показаниях, и он может возобновить надежную работу после любого перерыва.

Компас

Подобные приборы пока человечеством не созданы, более того, до настоящего времени в технике утвердилось мнение, что автономная (то есть без использования внешних средств информации) глобальная навигация вообще не осуществима.

Использование данного патента природы — гравитационно-инерциального механизма ориентации позволит создать надежный навигатор, который так же безотказно будет служить человечеству не только на Земле, но и в околоземном пространстве, и в поле тяготения любого космического тела.

Инженер Швецов Г.

Видео: Гуси – спокойствие и Relax

Славки маленькие птички, 5 — 7 сантиметров.Однако только славки (да еще ржанки) преодолевают до 3,5 тыс. км без посадок.

Гипотезы ученых

Специалисты Института эволюционной морфологии и экологии животных имени А. Н. Северцова, составили заключение, в котором, в частности, говорится:

«…сущность предполагаемого открытия заключается в ранее неизвестных колебаниях отолитовой мембраны утрикулюса относительно рецепторной части вдоль направления восток-запад у птиц и других позвоночных животных в процессе движения за счет периодической силы инерции, возникающей вследствие колебаний центра масс туловища вдоль линии отвеса и одновременного вращения совместно с Землей.

За счет деформации чувствительных волосковых клеток при колебании отолитовой мембраны происходит выбор и считывание азимута относительно опорного направления восток-запад.

Согласно исследованиям, проводимым за рубежом на вестибулярном аппарате, установлено, что их чувствительность обеспечивает выделение указанных направленных деформаций.

В теоретическом плане представлены аргументированные выкладки о том, что установленная закономерность подтверждается достаточно адекватной и работоспособной экспериментальной моделью, характеризующей поведение биологического объекта в процессе движения.

Известные экспериментальные исследования на птицах согласуются с представленной закономерностью…

В плане создания совершенно новых навигационных приборов работа представляет значительный интерес. Такой способ ориентации в открытой печати нам не встречался…»

Биологический компас

Помогает птицам совершать весьма дальние и сложные перелеты. Так, полярная крачка гнездится в Арктике, а зимует в Антарктике и дважды в год преодолевает расстояние порядка 20 тыс. км. Иными словами, ежегодно облетает земной шар.

Полярная крачка — рекордсмен дальних перелетов.

Вестибулярный аппарат — часть внутреннего уха позвоночных. Три взаимоперпендикулярных полукружных канала и два мешочка — овальный (утрикулюс) и округлый (саккулюс) — это орган равновесия.

Участок рецепторного эпителия, содержащегося в вестибулярном аппарате.

В мешочках и утолщениях каналов — ампулах — находятся слои рецепторных волосковых клеток. В мешочках они соединены с отолитовой мембраной, а в ампулах с желеобразной купулой, которые и отклоняют волоски при изменении положения тела, возбуждая в клетках электрические сигналы, идущие в мозг. Этот же механизм играет роль биологического компаса.

«Флажок» на кончике самого длинного волоска рецепторной клетки — киноцилия — имеет постоянную ориентацию в пространстве, иначе говоря, морфологическую поляризацию.

Механизм возбуждения электрического сигнала в рецепторах вестибулярного аппарата. Электрический потенциал клетки измеряется по отношению к внеклеточной жидкости. Основная часть биологического компаса — утрикулюс.

Если пучок волосков от обычного положения отклонить в сторону ориентации киноцилии, то клетка выдает сигнал максимальной силы: (на следующем рисунке киноцилия показана в виде овала, это взгляд на нее сверху).

Если внешнее воздействие направлено под углом к поляризации, то сигнал будет слабее, а если этот угол достигнет 90°, сигнала не станет совсем.

На этой особенности основана работа вестибулярного аппарата как биологического компаса.

Основная часть биологического компаса — утрикулюс (овальный мешочек внутреннего уха). Слой рецепторных волосковых клеток расположен у него горизонтально, что и позволяет утрикулюсу контролировать ориентацию тела в плоскости горизонта Земли.

Рецепторный слой имеет форму овала, а ряды клеток (обозначены кружками со стрелками) уложены по радиусам овала, причем уложены довольно плотно, так что прибор показывает угол отклонения с точностью до десятков секунд.

Стрелки в рядах клеток показывают поляризацию киноцилий, а совпадающее с ней направление внешнего воздействия возбуждает максимальный сигнал. Благодаря этому птица, куда бы ни летела, всегда знает основное компасное направление восток-запад (выделено красными кружками).

Иными словами, эта линия служит стрелкой биологического компаса, а рецепторный слой утрикулюса его лимбом. Линия белых кружков обозначает гипотетический сигнал, указывающий направление (азимут) полета на зимовку и обратно.

Это расчетная средняя величина колебаний центра тяжести движущегося тела в главном компасном направлении восток-запад.