Видят ли птицы магнитное поле Земли?

Сломанный компас

Много лет зарянки в птичьей лаборатории одного немецкого университета не могли найти дорогу. Это были беспокойные перелётные птицы, готовые к пути, но их направления разбегались во все стороны. Причиной оказался слабый электрический шум окружающего города, примерно в тысячу раз ниже уровня, который считается безопасным для людей. Когда учёные обшили деревянные домики заземлённым алюминием, зарянки снова нашли дорогу.

Эта уязвимость стала одной из лучших подсказок о том, как работает птичий компас, а разгадкой может оказаться квантовая реакция в глазу птицы.

Полёт вслепую

Только в Северной Америке каждую осень миллиарды птиц улетают на юг. Многие мелкие птицы летят в темноте. В исследовании 2026 года, где отслеживали 56 видов наземных птиц на четырёх континентах, в среднем 82% перелётов проходили целиком ночью. Некоторые птицы преодолевают поразительные расстояния.

В 2022 году молодой кулик, малый веретенник, долетел с Аляски до Тасмании за 11 дней, пролетев около 13 560 километров без остановок. Многие птицы отправляются в свой первый перелёт без взрослых, за которыми можно было бы следовать. Они могут ориентироваться по заходящему солнцу, звёздам и приметам местности. Но звёзды скрываются за облаками, а в открытом море ориентиров нет.

Магнитное поле Земли есть всегда, днём и ночью, в любую погоду. Вопрос в том, может ли птица его чувствовать, и если да, то как.

Воронка и чернильная подушечка

Чтобы это проверить, нужен на удивление простой инструмент. В 1966 году Стивен Эмлен и его отец Джон описали воронку из белой промокательной бумаги, поставленную на чернильную подушечку. В сезон миграции птица в клетке ночью беспокоится и всё время прыгает на стенки воронки. Каждый прыжок оставляет чернильный след, и к утру следы показывают, куда птица хотела лететь.

Немецкие исследователи к тому времени уже проверяли зарянок в закрытых комнатах, где птицы не видели неба. Зарянки всё равно выбирали сезонное направление. А когда магнитное поле вокруг клетки поворачивали с помощью электрических катушек, птицы поворачивались вместе с ним. Значит, поле имело значение, но компас зарянки оказался совсем не похож на наш.

Компас без севера

Стрелка туристического компаса указывает на магнитный север. В 1972 году Вольфганг и Росвита Вильчко показали, что компас зарянки игнорирует магнитный север и юг. Силовые линии поля Земли не лежат горизонтально. У магнитного экватора они идут почти параллельно земле, а у магнитных полюсов круто уходят в землю или выходят из неё.

Зарянки считывали этот наклон. Когда исследователи переворачивали только вертикальную составляющую поля, птицы меняли направление на противоположное. Когда переворачивали всё поле, так что север становился югом, а наклон оставался прежним, птицы держали прежнее направление. Значит, компас зарянки не показывает ни север, ни юг.

Он показывает направление к полюсу или к экватору, и этого хватает, чтобы выбрать, куда мигрировать. Затем последовал второй сюрприз: компас работал только при свете.

Ему нужен свет

В исследовании 1993 года австралийские белоглазки хорошо ориентировались при синем или зелёном свете. При красном свете они теряли ориентацию. Позже выяснилось, что компас работает вплоть до зелёного света, около 565 нанометров, и отказывает начиная с жёлтого. Чувство, зависящее от цвета света, сделало глаз очевидным местом для поисков.

Реакция, которая чувствует поле

Задолго до этого, в 1978 году, физик Клаус Шультен предложил, как может работать магнитное чувство. Его идея состояла в химической реакции, запускаемой светом. Когда свет попадает на определённые молекулы, электрон перескакивает из одной части в другую, и в каждой части остаётся неспаренный электрон. Химики называют это радикальной парой.

У каждого электрона есть свойство под названием спин, и оно ведёт себя как крошечный магнит. Пока реакция не завершилась, пара постоянно переключается между двумя общими спиновыми состояниями. Какой продукт получится, зависит от того, сколько времени реакция проводит в каждом состоянии. А магнитное поле меняет это время в зависимости от того, как молекула расположена в поле.

Поле Земли слабое, примерно от 22 до 67 микротесла, а магнит на холодильнике примерно в сто раз сильнее. Но в модели Шультена даже такое слабое поле могло склонить чашу весов. В 2000 году Шультен, Торстен Ритц и Салих Адем предположили, что этой молекулой может быть криптохром, светочувствительный белок, который есть в глазу. Если они правы, у реакции должно быть странное слабое место: радиоволны.

Шум в кампусе

Магнитный кристалл почти не заметил бы слабый радиосигнал. А радикальная пара заметила бы, потому что радиоволны могут сбивать спины электронов. В 2004 году зарянок во Франкфурте подвергли воздействию слабого радиочастотного поля в мегагерцевом диапазоне, слишком слабого, чтобы что-либо нагреть. Они потеряли магнитный курс.

Через десять лет пришёл тот самый странный результат из Ольденбурга, с которого мы начали. Команда Хенрика Мауритсена проверяла зарянок в деревянных домиках на территории кампуса, и годами птицы не могли сориентироваться. Когда домики обшили алюминием и заземлили, шум в диапазоне от 50 килогерц до 5 мегагерц упал примерно в сто раз, и зарянки снова стали ориентироваться. Когда заземление убирали или подавали шум внутрь экрана, они снова терялись.

Опыты шли семь лет, и те, кто оценивал поведение птиц, не знали, заземлён ли экран. Птицам, которых проверяли за городом, экран вообще не требовался. В 2023 году та же группа проверила другую певчую птицу, черноголовую славку, и нашла, где эффект пропадает: где-то между 80 и 145 мегагерцами. Примерно там радикальная пара в белке вроде криптохрома и должна перестать реагировать.

Увидеть поле

Если датчик находится в глазу, сигнал должен идти по зрительному пути. В 2009 году ольденбургская группа исследовала небольшую область переднего мозга зарянки под названием кластер N. Она обрабатывает зрительную информацию и активна ночью, когда птицы мигрируют. Когда кластер N разрушали с обеих сторон, зарянки теряли магнитный компас.

Ориентироваться по солнцу и звёздам они всё ещё могли. Перерезка нерва, который передаёт сигналы от клюва, на компас никак не влияла. Похоже, компас работает через зрение. Возможно, птицы видят поле как слабый узор поверх обычной картинки, но никто не знает, как оно выглядит для них на самом деле.

Главный подозреваемый

Главным подозреваемым считается белок криптохром 4. В глазу зарянки он находится в светочувствительных частях колбочек. У зарянок его ген становится активнее в сезоны миграции, а у кур такого не происходит. В 2021 году команда из Ольденбурга и Оксфорда получила криптохром 4 зарянки в бактериях и проверила его в лаборатории.

Его светозависимая химия реагировала на магнитное поле, причём сильнее, чем тот же белок кур или голубей. Внутри него электрон перескакивает по цепочке из четырёх аминокислот и образует пару. Исследование 2024 года, охватившее 363 генома птиц, нашло признаки того, что естественный отбор у певчих птиц поддерживал изменения в гене криптохрома 4. Но авторы эксперимента 2021 года были осторожны.

Белок проверяли отдельно, в полях сильнее земного. Как сказал Мауритсен, ещё предстоит показать, что это происходит в глазах птиц. И вопрос ещё далеко не решён. В 2023 году одно исследование сообщило о магнитных эффектах в нейронах плодовых мушек, а другое проверило больше 100 000 мушек и не нашло влияния магнитного поля на их поведение.

Железо, которого не было

Была и конкурирующая идея: крошечные кристаллы железа, работающие как стрелки компаса. В 1971 году Уильям Китон приклеивал маленькие магниты на спины почтовым голубям. Выпущенные на расстоянии от 27 до 50 километров от дома под солнечным небом, опытные птицы всё равно направлялись к дому. При сплошной облачности они сбивались с пути, что говорит о том, что солнечный компас компенсировал действие магнита.

Позже учёные нашли в клювах голубей богатые железом клетки и решили, что нашли те самые стрелки. В 2012 году оказалось, что это макрофаги, иммунные клетки, перерабатывающие железо. Но нерв от клюва всё же может передавать какую-то магнитную информацию, только не для компаса, а для карты.

Компас не карта

Компас говорит, куда вы смотрите. Но не говорит, где вы находитесь. С 1948 по 1957 год нидерландский биолог Альберт Пердек ловил перелётных скворцов в Нидерландах и перевёз больше 14 000 из них в Швейцарию. Номерные кольца на лапках, найденные позже, показали, куда улетели птицы.

Взрослые скорректировали курс и направились к обычным местам зимовки на северо-западе Европы. Молодые продолжали лететь в своём врождённом направлении, на запад-юго-запад, и оказались в Испании и на юге Франции. У взрослых было то, чего у молодых ещё не было: карта. В исследовании, опубликованном в 2013 году, тростниковые камышовки, перевезённые на 1000 километров на восток, в воронках поворачивались к району гнездования.

Птицы с перерезанной ветвью нерва от клюва продолжали выбирать прежнее направление, словно их никуда не перевозили. А в 2017 году исследователи в России повернули магнитный север на 8,5 градуса от обычного направления, сохранив силу и наклон поля. Такое поле бывает в районе Шотландии, а не в России. Взрослые тростниковые камышовки изменили направление на 151 градус, как будто их перевезли туда.

Не все опыты с перемещением птиц сходятся в выводах, а навигационная карта птиц изучена ещё хуже, чем компас.

Загадка не решена

Вот что известно на сегодня. Опыты с зарянками и другими певчими птицами показывают магнитный компас, который считывает наклон поля, нуждается в свете и работает через зрение. Слабый радиошум может его сбить, как и должно быть при реакции на радикальных парах. Белок из глаза зарянки в пробирке ведёт себя именно так, как нужно.

Но никто ещё не видел, как он работает в живой птице. Если это подтвердится, перелётные птицы читают планету с помощью реакции, зависящей от квантовой физики. И слабого электрического шума наших городов может хватить, чтобы размыть это чувство.