Как мы ориентируемся. Пространство и время без карт и GPS

Надель и Золя-Морган ясно выразили главную загадку восприятия пространства: есть ли в нашем мозге при рождении все необходимое для развития пространственной памяти или опыт важен для формирования мозговой инфраструктуры? С той поры развитие гиппокампа и его связь с памятью оставались одной из самых увлекательных тем нейробиологии. Как сказала Джеффри: «Люди начали изучать развитие, и теперь у нас довольно много интересных работ, предполагающих, что первыми “в режим онлайн” переходят нейроны направления головы, затем нейроны места, а затем нейроны решетки». И действительно, полученные данные указывают, что некоторые компоненты когнитивной карты присутствуют в мозге новорожденного ребенка, но в раннем детстве мы проходим период приобретения пространственных знаний, который влияет на то, насколько хорошо мы будем справляться с такими задачами в будущем.



В 2010 г. две разные группы исследователей добились потрясающего успеха: не стесняя движений крысят, у которых еще не закончился период молочного кормления и чей размер не превышал величины перепелиного яйца, ученые вживили им в мозг электроды и записали активность отдельных нейронов гиппокампа. Специалистам из Норвежского университета естественных и технических наук и из Университетского колледжа Лондона удалось записать сигналы сотен нейронов направления головы, нейронов места и нейронов решетки на протяжении двух недель, начиная с шестнадцатого дня жизни крысы. Обе группы выяснили, что все три типа клеток присутствовали у животных уже через два дня после того, как у них раскрылись глаза – то есть прежде, чем они покидали гнездо и начинали исследовать окружающий мир. Но из этих трех типов нервных клеток только нейроны направления головы были полностью созревшими. Несколько недель исследования мира ушло на то, чтобы нейроны места и нейроны решетки стали такими же, как у взрослой особи. На основе полученных данных обе группы исследователей пришли к выводу: пространственное обучение продолжает улучшаться еще долго после того, как компоненты когнитивной карты займут свои места. Более того, одним из самых важных факторов, определяющим количество и зрелость нейронов, был возраст, в котором молодые крысы знакомились с новыми местами, а вовсе не частота нового опыта. Чем меньше был этот возраст, тем быстрее и легче, по всей видимости, крысы учились и кодировали нейроны пространства.

Исследования приматов и изучение поведения детей позволили нейробиологам понять, как этот же процесс может проходить у людей в молодости. Швейцарские нейробиологи Пьер Лавене и Памела Банта Лавене предположили, что в возрасте около двух лет созревает область гиппокампа CA1, играющая важную роль в дифференциации объектов в долговременной памяти. В последующие годы созревает зубчатая извилина, необыкновенно пластичная область мозга, в которой нейрогенез – появление новых нейронов – продолжается и во взрослом возрасте; эта извилина необходима для формирования новых воспоминаний. К шести годам у детей наблюдается сильная положительная корреляция между объемом гиппокампа и эпизодической памятью: чем больше объем, тем выше способность вспоминать подробности события. Шесть лет – это средний возраст ослабления детской амнезии.

На протяжении всего этого периода для гиппокампа очень важно обучение, которое способствует росту и тренировке нейронов. И более того, некоторые исследователи убеждены: если хоть ненадолго лишить детей возможности исследовать окружение и, условно говоря, строить маршруты, это негативно скажется на когнитивных способностях и памяти. В 2016 г. исследователи из Центра нейробиологии Нью-Йоркского университета опубликовали результаты своей работы, показав, насколько сильно развитие гиппокампа зависит от опыта обучения. Исследователи выбрали два возраста развития у детенышей крыс: семнадцатый день после рождения, приблизительно соответствующий двум годам у человека, и двадцать четвертый день, который соответствует возрасту ребенка от шести до десяти лет. Измеряя молекулярные маркеры в гиппокампе, ученые смогли показать, как опыт влияет на созревание данной структуры в этот период развития. Затем они повышали или понижали уровень упомянутых молекул, тем самым манипулируя гиппокампом крыс, чтобы либо ускорить сохранение данных в памяти, либо продлить период младенческой амнезии. И вывод был таким: младенческая амнезия представляет собой тип критического периода, – окно пластичности, когда стимуляция со стороны окружающей среды активно формирует мозг.

«В критические периоды мозг особенно чувствителен: если он не получает нужных стимулов, его развитие останавливается, – говорит Алессио Травалья, постдокторант и автор исследования. – Мозг созревает с помощью опыта. Мы считаем, что без должной стимуляции гиппокамп не будет развиваться. И дело не только в младенческой амнезии; мы полагаем, что этот критический период созревания очень важен как для обучения, так и для потребностей детей. – Травалья приводит пример с глазом. – Первые подобные эксперименты проводились в шестидесятых. Если заклеить глаз и ходить так неделю, возможно, к концу недели ничего и не произойдет. Но оказалось, что, если заклеить глаз детенышу животного в критический период, животное не будет видеть этим глазом и останется слепым навсегда. Другой пример критического периода – речь. Например, если ребенок осваивает иностранный язык в очень раннем возрасте, он будет свободно говорить на нем»[75].

Травалья и его коллеги считают, что гиппокампу для созревания необходимы опыт и возможности. «В отношении людей предположение заключается в том, что мозгу также нужна надлежащая стимуляция в критический период. Это значит, что детям необходимы шум, игры, окружение, забавы, и отсутствие этих стимулов может сказаться впоследствии», – говорил он мне.

Возможно, один из самых важных этапов в развитии ребенка – переход к самостоятельному передвижению. Возможно, именно изменения в движении влияют на то, как пространственная информация кодируется в памяти? Например, в 2007 г. группа английских исследователей выяснила, что переход к ползанию у девятимесячных младенцев ассоциировался со стремительным возрастанием когнитивных навыков: дети обретали более гибкую и сложную способность извлекать воспоминания из памяти. Артур Гленберг, профессор психологии из Университета штата Аризона, выдвинул гипотезу, согласно которой начало самостоятельного передвижения способствует созреванию гиппокампа: у младенцев, совершающих свои первые перемещения в пространстве, нейроны места и нейроны решетки могут начать подстройку под окружающий мир, что в конечном итоге облегчает формирование инфраструктуры долговременной памяти. Он считает, что настройка этих нейронов зависит от непрерывной корреляции между оптическим потоком, направлением головы и бессознательным восприятием пространственной ориентации от самостоятельных движений; до того как младенцы начинают самостоятельно перемещаться в пространстве, вся система остается незрелой и ее вклад в память ненадежен. Когда маленькие дети начинают ползать и исследовать окружающий мир, вырабатывая условный рефлекс, призванный кодировать положение в пространстве, это движение может стать своего рода «строительными лесами» для долговременной эпизодической памяти, и ребенок меньше забывает. Гипотеза Гленберга также дает интересное объяснение ухудшению памяти в пожилом возрасте: по мере старения тела уменьшаются подвижность и исследовательское поведение. Возможно, предполагает он, возбуждение нейронов места и нейронов решетки гиппокампа становится не связанным с окружающей средой, в результате чего ослабевает способность вызывать воспоминания.

Идея Гленберга не в состоянии в полной мере объяснить существование столь большого временного промежутка между началом самостоятельного движения в первый год жизни человека и надежным сохранением воспоминаний, которое начинается приблизительно с шестилетнего возраста. Он предположил, что гиппокамп, настроенный на окружающий мир при ползании, вынужден переучиваться после того, как мы начинаем ходить. Но возможно и то, что задержка обусловлена потребностью в опыте, а также тем, в какой мере тот необходим. Требуется довольно много времени, чтобы исследовать окружающий мир и начать формировать сложные когнитивные карты и полноценную систему памяти в гиппокампе, по сложности сравнимую с системой взрослого человека. Собственно, возраст перехода к самостоятельному движению, похоже, не столь важен, как степень вовлеченности ребенка в исследование окружающего мира. В 2014 г. голландские ученые выяснили, что в возрасте четырех лет дети, посвящавшие больше времени исследованию мира, имели более развитую пространственную память, и у них наблюдалась позитивная корреляция с подвижным интеллектом – способностью к решению проблем, выявлению закономерностей и логике. «Ваш годовалый ребенок умеет ориентироваться в квартире, но ему не слишком часто выпадает возможность выходить из нее в парк, – объяснял мне Гленберг. – Потребуется огромный опыт прогулок, чтобы развился этот достаточно сложный набор клеток, которые могут служить хорошей основой для памяти».

В 1999 г. группа ученых из Института биологических исследований Солка в Калифорнии под руководством Расти Гейджа выяснила, что физические упражнения способствуют нейрогенезу в гиппокампе взрослых людей, в частности в зубчатой извилине – той зоне, в которой в гиппокамп входит большая часть связей с другими областями мозга и которая участвует в формировании эпизодической памяти. Недавно трое исследователей из Национальных институтов здравоохранения США, изучавшие старение, сравнили нейроны взрослых мышей, которые провели месяц в клетке с беличьим колесом, с нейронами мышей, которые бегали в колесе неделю, и с нейронами животных, живших в клетке без колеса. В мозге мышей из обеих групп с колесом были обнаружены новые нейроны, а длина дендритов нервных клеток оказалась больше. Ученые решили, что бег, возможно, способствует кодированию пространственной информации, усиливая генерацию нейронов и перестраивая нейронные цепи.

Тот факт, что на развитие гиппокампа влияют такого рода активность и опыт, указывает на его невероятную пластичность, что очень важно для таких сфер, как уход за детьми, образование и лечение когнитивных нарушений. «Это чрезвычайно волнующий факт, потому что созревание мозга часто обусловливают временем и генетической программой, – объяснял мне Травалья. – Мы же демонстрируем, что развитие мозга идет не по фиксированной программе, а определяется опытом».



В 1940-х гг. психологи Жан Пиаже и Бербель Инхельдер предлагали детям «задачу о трех горах». Они помещали куклу на разные области маленького макета с тремя горами и просили ребенка выбрать одну из нескольких картинок, сопоставив ее с тем, как кукла видит гору с того или иного места. В возрасте четырех лет большинство детей не могли представить, что кукла видит иначе, чем они сами, и психологи сделали вывод: маленькие дети руководствуются более примитивной эгоцентричной перспективой, предшествующей логическому мышлению. И только позже, годам к девяти-десяти, дети, по мнению психологов, переключались на аллоцентрическое представление, чтобы закодировать евклидовы объективные взаимоотношения между ориентирами и предположить, как выглядят множественные объекты по отношению друг к другу.

Последующие исследования показали ошибочность этого классического представления о последовательности развития от эгоцентрической перспективы к аллоцентрической. Ньюком продемонстрировала, что маленькие дети в возрасте года и девяти месяцев могут аллоцентрически точно представлять взаимное расположение объектов. В 2010 г. в Journal of Experimental Child Psychology норвежские и французские психологи опубликовали результаты исследования, в котором 77 учеников начальной школы проходили тест на виртуальном лабиринте. Выяснилось, что все пяти-, семи- и десятилетние дети использовали для решения задачи последовательную эгоцентрическую стратегию, однако все они, даже самые младшие, могли применять и аллоцентрическую. Тем не менее чем старше был ребенок, тем более спонтанно он мог переходить к аллоцентрической перспективе и использовать ее с большей точностью; десятилетние школьники могли сориентироваться в самом начале решения задачи и сформировать абстрактный образ лабиринта – «вид сверху» – в точности как взрослые.

Это позволяет предположить, что маленькие дети способны использовать аллоцентрическую стратегию, но в период с пяти до десяти лет ее природа постепенно меняется. В десять лет объем гиппокампа у разных детей может поразительно отличаться. Исследователи выяснили, что физически развитые дети имели больший объем гиппокампа, чем их менее активные сверстники, и это указывает на взаимосвязь между аэробными упражнениями и структурой мозга детей. Более того, эти структурные отличия, по всей видимости, влияют на функции. Те десятилетние дети, которые были более активны и находились в лучшей физической форме, лучше справлялись с задачами на запоминание.

Мы не единственные животные, у которых проявляется пластичная природа гиппокампа и его связь с когнитивными способностями. У нечеловекообразных приматов объем гиппокампа однозначно коррелирует с решением пространственных и непространственных задач, а также может предсказать вероятность их успешного решения. Сьюзен Шульц и Робин Данбар, ученые из Оксфордского университета, изучили 46 разных видов приматов, в том числе горилл, лемуров и макак. Они дали отдельным особям восемь различных заданий, предназначенных для проверки обучения, памяти и познания пространства. Виды приматов с большим объемом гиппокампа лучше справлялись с этими задачами. Выяснилось, что относительный размер мозга коррелирует с социальным научением и использованием орудий, формированием коалиций, способностью обманывать и размером социальных групп, то есть со всеми аспектами когнитивных способностей высшего порядка, так называемых управляющих функций, – это способность организовывать мысли и действия, направлять себя к достижению целей. Возможно, необходимость в появлении усложняющихся управляющих функций была одним из давлений отбора, которые привели к увеличению мозга приматов (и в конечном счете к тому, что появились мы).

Шульц и Данбар также обнаружили, что у птиц, которые прячут еду в разных местах, а через несколько дней или даже месяцев возвращаются за ней, относительный размер гиппокампа больше, чем у других видов. В одном из предыдущих исследований, в конце 1980-х гг., они выбрали 35 разных видов и подвидов птиц из отряда воробьинообразных (в который входит более половины всех видов птиц в мире), использующих пальцы для того, чтобы держаться на ветке, и препарировали мозг 52 экземпляров, взятых из живой природы. Некоторые птицы принадлежали к тем видам, которые делают запасы еды, а некоторые ограничивались добычей корма. Исследователи хотели найти ответ на вопрос: требует ли запасание еды повышенных затрат памяти? Обладают ли птицы, делающие запасы, некими особыми способностями, связанными с пространственной памятью? И может ли это отражаться на объеме их мозга? Шульц и Данбар обнаружили, что у черноголовой гаички, запасающей еду в лесу, гиппокамп занимает на 31 % больший объем, чем у ее близкой родственницы, большой синицы, которая выискивает корм.

Семь лет спустя Шульц и Данбар решили исследовать еще один вид, обычную садовую славку. Будет ли гиппокамп садовых славок с большим опытом миграции отличаться от гиппокампа тех, которые еще никуда не летали? Если да, то они, вероятно, похожи на тех таксистов, у которых запоминание улиц Лондона приводило к увеличению объема серого вещества в гиппокампе. Исследователи сравнили мозг молодых птиц, еще не совершавших ежегодные перелеты из Европы в Африку и обратно, с мозгом тех, кто имел опыт миграции, и выяснили, что у последних объем гиппокампа значительно больше – это был результат возраста и опыта. Другие исследования, проведенные на голубях, показали, что у них гиппокамп важен для запоминания ориентиров – при повреждении этого отдела мозга они теряли способность находить дорогу домой.

Черношапочные гаички не только возвращаются к сделанным запасам – сначала они посещают те места, где лежит самая вкусная, по их мнению, еда. Но и они не могут тягаться с голубой кустарниковой сойкой, которая помнит не только то, где она сделала запасы, но и то, когда она их сделала. Любимая еда соек – личинки восковой моли, но только свежие; засохшие личинки не столь привлекательны. Двое исследователей, Николя Клейтон и Энтони Дикинсон, поставили следующий эксперимент: они давали голубым кустарниковым сойкам личинки восковой моли, а через четыре часа предлагали птицам на выбор взять корм из тайника – личинки или арахис. Но в некоторых случаях птицам предлагали выбор спустя пять дней после того, как они спрятали личинки. Через четыре часа птицы предпочитали личинок, а через пять дней – арахис. Они не только помнили, что именно спрятали, но и когда. Означает ли это, что голубая кустарниковая сойка обладает эпизодической памятью?

Разница в когнитивных способностях людей и других видов животных, по всей видимости, обусловлена не столько размером, сколько количеством нейронов, а главное – тем, где расположены эти нейроны. Мозг африканского слона в три раза больше, чем наш, и в нем в три раза больше нейронов. Но в гиппокампе слона меньше 36 миллионов нервных клеток, а в нашем – 250 миллионов. Тем не менее участки обитания некоторых африканских слонов превышают 30 тысяч квадратных километров. Обладают ли они особой координацией пространственной памяти и органов чувств, позволяющей им не заблудиться на такой территории? Некоторые специалисты предположили, что слоны, подобно людям, должны ориентироваться в пространстве при помощи гиппокампа. Однако киты способны преодолевать многие тысячи километров, хотя у них необычайно маленький гиппокамп, а у взрослых особей не наблюдается нейрогенеза.

Попытка представить, как животные воспринимают мир, расширяет наше воображение. Ученый Якоб фон Икскюль считал, что поведение животного можно объяснить только с учетом его внутреннего – сенсорного – мира. По его мнению, организмы обитают в собственном умвельте (немецкое слово Umwelt означает «окружающий мир»), и он использует это понятие для объяснения того, как эволюционировали субъективные сенсорные впечатления животных, чтобы соответствовать их потребностям. Согласно этой гипотезе, пчелы живут в ультрафиолетовом мире потому, что он позволяет им ориентироваться по поляризованному свету, а волки обитают в мире запахов, чтобы создавать ориентиры и карты важных мест. Возможно, американский зяблик не видит менее яркие звезды, поскольку только так может прославлять свой компас – Полярную звезду.

Пытаясь осмыслить запутанные связи организмов и среды, Икскюль обращался к музыкальной метафоре. Каждый организм подобен мелодии, которая резонирует и гармонирует с живыми существами вокруг него. Он писал: «Все живые существа ведут свое происхождение от дуэта»[76]. Для ребенка этот дуэт, по всей видимости, представляет собой взаимодействие между нейронами, которые активизируются в его мозге, и тем местом, в котором ребенок растет.





Птицы, пчелы, волки и киты




Однажды утром, в дни моей поездки в Арктику, я встала пораньше, надела толстые непродуваемые брюки и анорак с капюшоном, отороченным волчьим мехом, перебралась через взрослых и детей, спящих на полу однокомнатного домика, приоткрыла фанерную дверь и протиснулась в щель, стараясь не впустить внутрь холодный воздух с улицы. Сунув ноги в тяжелые, утепленные войлоком сапоги, я выпрямилась и посмотрела прямо перед собой. Домик стоял на склоне холма в устье большого фьорда, покрытого аквамариновым морским льдом; мощные приливы толкали этот лед к берегу, образуя гигантские рюши. Чтобы добраться до этого уединенного жилища, мы несколько часов ехали на нартах на юг от Икалуита, обогнули берег залива, миновали место под названием Питсиулааксит (на инуктитуте – «остров, где гнездятся кайры»), затем Каакталик («место, где давным-давно оставили тюфяк из оленьих шкур») и повернули вглубь побережья у Нулуарйюка («маленькая задница»). Привязав собак к длинной цепи, вбитой в лед, мы принесли из ближайшего пруда в холмах бруски замороженной свежей воды, вырезав их тяжелыми металлическими лопатами, а затем растопили, чтобы пить. На ужин у нас были вяленые оленьи ребрышки, тонкие кусочки сырого арктического гольца, белая куропатка, запеченная в собственной крови, и вареное мясо овцебыка. Собаки спали внизу, прямо на снегу; при моем появлении они едва приподняли носы. За ними тянулся белый лед залива. Кромка ледяного поля, где лед встречается с открытым океаном, по-прежнему находилась в нескольких сотнях километров южнее.

На Баффиновой Земле я ожидала увидеть массу охотников на собачьих упряжках, но быстро поняла свою ошибку: это все равно что приехать в Нью-Йорк и удивляться, куда делись все кареты, запряженные лошадьми. Да, в Гренландии закон требует от охотников запрягать собак, а на окраине Нунавута кое-где еще сохранились упряжки, которые участвуют в соревнованиях, но во всем Икалуите их было, наверное, с полдесятка. Все остальные пользовались снегоходами. Мне удалось поехать к домику на собачьей упряжке, принадлежавшей Мэтти Макнейр, путешественнице, возглавившей первую женскую экспедицию на Северный полюс и несколько десятков лет прожившей в Икалуите. Ее собаки были тренированными и исходили вдоль и поперек всю Баффинову Землю, зачастую в поездках, когда Макнейр намеренно ориентировалась по природным ориентирам, звездам и снегу. Но сама она говорила, что собаки умеют находить дорогу гораздо лучше ее. «Не знаю, как они это делают. У меня были собаки, приходившие точно в город в такую погоду, когда я вообще ничего не видела, – рассказывала она. – И не по запаху. Увидеть они ничего не могли, значит, и не по следам. Бог его знает, как они находили дорогу. В начале года я отправилась в путешествие и ехала по следу снегохода, а собаки свернули и обогнули скалу, потому что там проходил наш путь в прошлом году. Они ориентировались не на след снегохода, а на прошлогодний маршрут».

Ездовая собака иннуитов – это особая порода, которая на протяжении многих поколений помогала людям жить в Арктике. Без этих собак по снегу и льду было не пройти; летом и осенью они перевозили по неровной тундре продукты и предметы обихода. Собаки были так важны, что зачастую их кормили первыми – и только потом еду давали детям и взрослым. Сегодня снегоходы в чем-то неоспоримо лучше собак: чтобы прокормить последних, надо охотиться почти весь год. Как объяснял мне один из владельцев, на упряжку из девяти животных уходит четыре с половиной тонны моржового и тюленьего мяса в год. Большинство охотников не могут потратить столько времени на добычу корма для собак. Погонщик собак Кен Макрури говорил: «Иннуиты – прагматики, а не романтики. Если собачья упряжка не приносит пользы, от нее отказываются. Снегоходы позволили людям работать весь день и оставаться охотниками. Не нужно все лето добывать еду. Снегоход есть не просит»[77].

Разница между путешествием на снегоходе и собачьей упряжке очевидна. Снегоход намного, намного быстрее. Но медлительность упряжки позволяет идеально изучить местность, запомнить ориентиры, детали маршрутов, названия мест – и полюбоваться видами. «Чем быстрее едешь, тем меньше видишь», – объяснял Джон Макдональд, который двадцать пять лет прожил в Иглулике, активно содействовал проекту общины «Устная история» и написал книгу «Арктическое небо». Однажды он ехал в Иглулик с пожилым иннуитом, который остановился у камня, узнав его по узору лишайника на поверхности. «Я бы проехал мимо и даже не глянул, – говорил Макдональд, – так обычно и бывает, когда берешь снегоход»[78]. Кроме того, снегоходы создают впечатление, что вы всегда двигаетесь навстречу ветру, тогда как охотники на собачьих упряжках едут достаточно медленно, могут чувствовать направление ветра и использовать его как ориентир, чтобы придерживаться выбранного направления». И действительно, на востоке Арктики местные жители часто использовали ветер в качестве компаса, осями которого служили уангнак и нигик, и в их языке имеется шестнадцать слов для обозначения промежуточных направлений. Зачастую в ориентировании на местности важную роль играют собаки иннуитов, о чем свидетельствует рассказ Макнейр. Хороший ездок на собаках (в Восточной Арктике его никогда не называют «погонщиком») редко пользуется хлыстом – или вообще не пользуется. Оптимальные взаимоотношения между ним и собаками основываются на понятии исума: в переводе с иннуитского – «разум», «мышление», а в определенном контексте – «жизненная сила». Ездок направляет упряжку с помощью разума, передает ей свою волю. Вожак упряжки называется исуматак – «тот, кто думает», и он лучше всего понимает волю ездока. «Вы должны направить свою исума, – объясняет Макрури. – Вы должны передавать свои мысли собакам, а они должны реагировать на них… вы общаетесь с собаками через разум и голос».

По словам Макрури, только после того, как закончился его период ученичества у других охотников и у него появились свои собаки, он начал понимать, насколько важны могут быть иннуитские собаки для того, чтобы не заблудиться. Он раз за разом убеждался, что некоторые собаки его упряжки обладают необъяснимой способностью находить дорогу в любых условиях. «Несколько раз я попадал в снежную бурю, и собаки приводили меня домой. Похоже, у них есть чувство дома, и они идут в этом направлении. Уверен, что они и на метр не сбились со следа, хотя я сам ничего не видел». Этим качеством обладают не все его собаки; у одних оно выражено сильнее, у других слабее. «Они не похожи на типовые дома, у каждой свои способности, причем очень разные», – объяснял он. Но иннуиты на протяжении сотен поколений безжалостно отбраковывали собак, создав, по выражению Макрури, «поистине ошеломительного зверя». Он до такой степени доверял их памяти, что во время снежной бури переставал управлять ими и просто позволял идти туда, куда вел их инстинкт, нисколько не сомневаясь, что они привезут его домой, несмотря на отсутствие следов, по которым можно было бы найти обратный путь. И действительно, его собаки часто находили кратчайший путь по неизвестной местности к главной тропе, ведущей в Икалуит. Невероятные способности собак, похоже, были обусловлены созданием и запоминанием необыкновенно подробных и точных когнитивных карт. Но есть ли у них такие карты? Джон Макдональд рассказал мне, что у жителей Иглулика есть слово, обозначающее способность знать, где ты находишься, независимо от условий окружающей среды, причем это понятие применимо как к людям, так и к собакам, – аангаиттук. «Это слово можно перевести как “чрезвычайно наблюдательный”», – объяснял Макдональд[79]. Его противоположность, аангаюк, переводится как «тот, кто за окраиной поселка уже не знает, где находится, и бредет наугад»[80].

В 1970-х гг. специалист в области поведенческой психологии из Мичиганского университета предположил, что волки также способны формировать когнитивные карты. Роджер Питерс несколько лет наблюдал за волками в дикой природе и пришел к выводу, что эти животные могут создавать когнитивные карты с таким мастерством, которое обычно не встречается у нечеловекоподобных животных. И более того, он добавил, что эта способность не случайно является общей у людей и волков. Оба вида эволюционировали как социальные животные и охотники на крупную дичь, и это значит, что они образовывали группы и перемещались на большие расстояния, преследуя добычу, а затем возвращались к своим детенышам, к своей стае или к жилищам. По оценке Питерса, за двадцать четыре часа и волки, и люди могут преодолеть примерно одинаковое расстояние – около ста пятидесяти километров. «И у людей, и у волков были миллионы лет для того, чтобы найти решения проблемы, как не потеряться, где “потеряться” означает, что вы разлучены с товарищами по охоте, не знаете, как быстро вернуться домой или куда ушла добыча»[81]. Питерс полагал, что это не карта, похожая на вид с высоты птичьего полета, а скорее упрощенное представление об окружающем мире, в котором мозг, отбрасывая несущественную информацию, оставляет и упорядочивает остальные элементы: какова по размеру охотничья территория, где располагаются логово, источники воды, запасы пищи, как проходят маршруты, где можно встретить хищников, а также то, как все это соотносится в пространстве. У волков эти карты в значительной степени опирались на обонятельные сигналы, которые, как отмечал Питерс, в мире волка гораздо важнее, ярче и реальнее, чем может представить человек. «Для волков реальность объекта может определяться запахом в большей степени, чем визуальными характеристиками», – писал он[82]. Из своих полевых исследований Питерс знал, что волки помечают свой путь приблизительно через каждые триста метров, уделяя особое внимание перекресткам – пересечению троп, которое чаще всего служит местом встречи с другими членами стаи. Волки создавали координатные узлы, превращая незнакомый ландшафт в сеть ориентиров.



Несмотря на раннее утро, солнце уже восемь часов как взошло над горизонтом, заливая землю мерцающим светом. Было довольно холодно, и я высунула ладони из рукавов анорака и обняла себя, чтобы согреться. Потом я начала подниматься по каменистому склону позади дома, проваливаясь в снег и переступая через ивы высотой с пол-локтя, словно великан в лесу. Многим из этих маленьких деревьев, вероятно, было больше ста лет; в Арктике они растут не больше чем на десятую долю миллиметра в год. Я надеялась увидеть, как на эту землю прилетают арктические гуси, преодолев почти 5 тысяч километров по невидимой воздушной трассе – вместе с пятью сотнями других видов птиц, у каждого из которых свои места размножения, кормежки и гнездования.

Иннуиты делят всех живых существ на три категории: анирнилиит (тот, кто дышит), нунараит (тот, кто растет) и уумайюит (тот, кто движется). Одни уумайюит относятся к тингмиат (тот, кто летает), другие – к писуктиит (тот, кто ходит). К последней категории относятся люди, а также северные олени и овцебыки. Арктические гуси – это тингмиат, очень ценимый охотниками, которые каждую весну неделями ждут их прилета. В Икалуите я видела двенадцатилетних детей с дробовиками через плечо, которые на снегоходах прочесывали окрестные холмы в поисках гусей. Двое молодых охотников в погоне за возможностью подстрелить гуся проехали на снегоходах почти 200 километров, надеясь найти птиц. Когда начинается массовый прилет гусей, охотник без труда может подстрелить больше шестидесяти птиц в день – их едят сразу или замораживают, они служат предметом обмена. Теперь я пыталась найти их среди этого безжизненного ландшафта, похожего на лунный, стараясь все время двигаться, чтобы не замерзнуть.

Жизнь на Земле создала миллионы видов животных, которые, подобно Одиссею, отправляются в путешествия, короткие и длинные. Риск заблудиться – это чисто человеческая проблема. Многие животные превосходно ориентируются в окружающем мире, совершая путешествия, далеко превосходящие наши возможности. Чемпион по миграции – полярная крачка, крохотный аргонавт весом сто двадцать граммов, которая каждый год путешествует из Гренландии в Антарктику и обратно, преодолевая около 70 тысяч километров. Крачки летят по ветру, и их обратный путь – мечта любого путешественника: они огибают Африку и Южную Америку. Серый буревестник пролетает более 60 тысяч километров, описывая гигантские «восьмерки» над просторами Тихого океана, чтобы поймать попутный ветер. По оценке орнитолога Питера Бертхольда, каждый год мигрирует около половины известных видов птиц – всего 50 миллиардов особей. Но грандиозные путешествия совершают не только пернатые. Стада зебр и антилоп гну, словно волны, перемещаются по Серенгети вслед за дождем. Кожистые черепахи покидают побережье Калифорнии и плывут в Индонезию, преодолевая больше 15 тысяч километров, а затем возвращаются на тот же пляж, где появились на свет.

Можно привести примеры менее известных, но не менее поразительных путешествий. Слово планктон, введенное в обиход немецким физиологом, было образовано от греческого πλαγκτός, «блуждающий». Это крошечные микроорганизмы, которые дрейфуют вместе с неустанным движением океанских вод. Но перемещения планктона носят случайный характер только в горизонтальной плоскости. Каждые двадцать четыре часа триллионы этих организмов, или миллиарды тонн биомассы, совершают намеренную вертикальную миграцию, поднимаясь к поверхности океана в сумерках и опускаясь на рассвете. Может быть, планктон похож на первые организмы, которые начали самостоятельно двигаться? Не на те, что безвольно шли вслед за водой и ветром, а на те, которые переходили с места на место по собственной воле? По мнению авторов книги «Эволюция систем памяти» (The Evolution of Memory Systems), у первых позвоночных сформировался аналог гиппокампа, что дало им навигационную систему, работавшую совместно с более древними системами подкрепления. Эта система направляла поведение, связывая стимулы и действия с биологическими затратами и выгодами, и почти все поведение наших древних предков включало построение маршрутов: поиск пищи, избегание встреч с хищниками, регулирование температуры, размножение… Животные, чтобы выжить, не могли перемещаться случайным образом; им требовалось находить путь из одного конкретного места в другое, и это требование привело к появлению в природе самых разных механизмов навигации.


Ученые осмыслили это разнообразие как навигационный инструментарий эволюции. Эту теорию выдвинули в 2011 г. десять известных исследователей, в том числе Кейт Джеффри и Нора Ньюком, изучавшие когнитивные способности как людей, так и животных в надежде сформулировать общие принципы навигации, лежащие в их основе. Ученые разбили все известные механизмы навигации на четыре уровня, отличающиеся по сложности. Первый уровень – это сенсорно-двигательный инструментарий: зрение, слух, обоняние, осязание, магнетизм и проприоцепция. На второй уровень они поместили «пространственно примитивных»[83] животных, которые ориентируются при помощи простейших образов и знаков: к таким ориентирам относятся уклон местности, направление, границы, поза, скорость или ускорение. На третьем уровне располагаются более сложные интеграции этих инструментов, позволяющие строить пространственные конструкты наподобие внутренней когнитивной карты. Четвертый уровень составляют пространственные символы: внешние карты, указатели, человеческая речь – то есть способность передавать информацию о пространстве. Согласно этой теории, простейшие инструменты являются базовыми – они появились на раннем этапе эволюции и пережили множество эпох, – а более сложные синтезированы из простых.

Но представление способностей животных к навигации в виде инструментария порождает новые вопросы, приводящие в замешательство. Очень часто оказывается, что животные, которые, по мнению ученых, пользуются относительно простыми средствами, на самом деле имеют в своем распоряжении гораздо более гибкие и сложные инструменты. По всей видимости, некоторые животные используют все инструменты, а другие, которым вроде бы по логике вещей требуются самые сложные, обходятся простыми. А часть самых простых инструментов мы вообще не понимаем. У нас есть свидетельства их существования, но мы их не видим и почти не представляем, как они работают. По этим причинам некоторые из самых удивительных научных загадок относятся именно к навигации животных. Мы накопили огромный массив данных на основе десятков тысяч наблюдений за животными, передвигающимися по нашей планете, но все еще не можем объяснить, как они это делают.



К числу инструментов, необходимых животным для навигации, относятся «часы», то есть внутренний механизм для измерения или отсчета времени. Ежедневная массовая миграция зоопланктона в Мировом океане требует умения определять приближение восхода и захода солнца. На первый взгляд это простая реакция на свет, но глубоководный зоопланктон, обитающий в глубинах, куда не проникает свет, также мигрирует в соответствии с длительностью светового дня на данной широте. Даже чуть более сложные миграции могут потребовать нескольких часовых механизмов. Джеймс Гулд и Кэрол Грант Гулд в своей книге «Природный компас: загадка навигации животных» (Nature’s Compass: The Mystery of Animal Navigation) описывают «жутко согласованную»[84] миграцию бермудских светящихся червей – морских животных, обладающих биолюминесценцией. Они в изобилии появляются в каждый лунный месяц лета, а если точнее, то через 57 минут после захода солнца на третий вечер после полнолуния. В качестве объяснения чета Гулд предложила такую гипотезу: у этих червей должны иметься лунные часы, позволяющие отсчитать период 27,3 дня, суточные часы, отмеряющие период 24 часа, а также интервальный таймер для отсчета пятидесяти семи минут после захода солнца. Животные, для которых характерны ежегодные или многолетние миграции, должны также иметь годовые часы, точно учитывающие продолжительность дней и ночей, а также ее изменение в каждом сезоне. В целом в ходе эволюции, по всей видимости, появились годовые часы, лунные часы, приливные часы, циркадные часы, а у тех, кто мигрирует под покровом ночи, возможно, и звездные часы: они измеряют время, за которое звезда – в зримом представлении – совершает оборот вокруг Земли.

Одним из первых, кто обнаружил, что животные используют для навигации часы, был энтомолог-любитель, который изучал живущих в пустыне муравьев. В 1901 г. швейцарский врач Феликс Санчи покинул родную Лозанну и поселился в удаленном городке в Тунисе. За свою жизнь Санчи описал почти 2 тысячи видов муравьев и дал им название. Он изучал поведение муравьев, и его особенно интересовал вопрос, как муравьи, обитавшие за пределами города, в котором он жил, ориентируются в пустыне. Как отмечал немецкий нейроэтолог Рюдигер Венер, в те времена выдвигалось предположение, что муравьи ориентируются по запаху: идут за едой в каком-либо направлении, а возвращаются по следу, который оставили за собой. Но в пустыне ветер и песок непрерывно меняют ландшафт, сдувая любые запахи или метки, которые муравьи могли бы использовать для ориентировки.

Санчи первым заметил, что муравьи не просто снуют туда-сюда в поисках пищи; они идут кружным маршрутом, а назад возвращаются по прямой. Способность находить кратчайший путь означала, что муравьи выполняют тригонометрические вычисления, определяют взаимное расположение в пространстве всех мест, в которых побывали, и прокладывают прямой путь к дому. Санчи знал, что для этого требуется некий указатель направления, позволявший безошибочно ориентироваться в пространстве, и поэтому предположил, что муравьи используют небесный компас – скорее всего, солнце, следя за его положением при восходе и в течение дня. Для проверки этой гипотезы он с помощью зеркала отразил солнечные лучи – и муравьи, возвращавшиеся домой, повернули на 180 градусов.

Но наша планета движется, и положение солнца на небе меняется. Для того чтобы солнце было надежным средством навигации, животное должно менять угол ориентации в течение дня – только так можно не сбиться с пути. Поэтому, предположил Санчи, муравьи должны иметь внутреннее отображение не только солнца, но и времени, чтобы точно вычислять направление. Позже он даже пытался полностью закрыть от муравьев солнце и выяснил, что они все равно находили дорогу даже по маленькому клочку неба. Впоследствии биологи выяснили, что фасеточные глаза муравья, органы с чувствительными к свету фоторецепторами, могут считывать информацию с синего неба даже в отсутствие солнца и других ориентиров, используя паттерн поляризации света, чтобы помочь муравью сориентироваться в пространстве и найти дорогу домой. Это, как выразился энтомолог Хью Дингл, нечто вроде «заранее “вшитой” небесной карты…»[85].



Пчелы также могут использовать поляризованный свет для того, чтобы находить дорогу. Их называли самыми искусными штурманами в природе: в поисках пищи они совершают до пятисот путешествий в день на расстояние до восьми километров от улья. Подобно живущим в пустыне муравьям, они в поисках пыльцы путешествуют по кружным извилистым маршрутам, но способны находить прямой путь домой. Тому, как им удается находить кратчайший путь к дому, посвящены целые книги и многочисленные исследования – этим интересовался еще Аристотель. Их достижения впечатляют еще больше, потому что пчелы отправляются в далекие путешествия, обладая недостатками, которые мы посчитали бы серьезными. Мозг пчелы весит меньше миллиграмма и содержит меньше миллиона нейронов, и по нашим меркам они практически слепы – острота зрения у них всего 0,01.

Биолог Джеймс Гулд из Принстонского университета несколько десятков лет изучал навигационные способности пчел. На первый взгляд нахождение кратчайшего пути требует так называемого интегрирования по траектории, счисления пути или внутренней навигации: отслеживая каждую стадию путешествия, насекомые могут вычислить свое местоположение и направление к дому. Но еще в начале своей карьеры биолога Гулд обнаружил, что, куда бы он ни помещал пчел в пределах их нагульного ареала, они всегда находили новый кратчайший путь к дому, а это значит, что у них имелась гибкая память или внутреннее представление о пространстве. Другими словами, пчелы используют гораздо более сложный эволюционный инструмент, который часто называют когнитивной картой. Похоже, у пчел есть не только внутреннее представление о пространстве, но и способность передавать эту «карту» другим пчелам, – согласно теории навигационных инструментов, такая способность характерна для человека.

В 1940-х гг. Карл фон Фриш заметил, что пчелы, обнаружив богатый источник пищи во время разведывательного полета, возвращаются к улью и начинают кружить, описывая «восьмерки». У этого танца есть свой язык, особенно если пчелы возвращаются из мест, удаленных на расстояние больше пятидесяти метров. Пчелы двигают брюшком у вертикальной стенки сот, и угол, под которым их тело расположено относительно этой поверхности, соответствует тому углу относительно солнца, под которым следует лететь их товарищам. Более того, продолжительность танца пропорциональна расстоянию от улья до источника пищи. Пчела указывает другим насекомым, куда лететь, иллюстрируя путешествие своим телом. Некоторые пчелы могут танцевать по нескольку часов или возобновлять танец на следующий день – или даже через несколько месяцев холодной погоды, причем точность при этом нисколько не страдает.

В книге «Из жизни пчел», опубликованной в 1950 г., Фриш описывает еще одно свое открытие. Оказывается, что пчелы, подобно муравьям, ориентируются по солнцу, и это означает, что они тоже используют внутренние часы: суточные внутренние часы и сезонный календарь, позволяющий следить за течением времени. Как же пчелы учатся ориентироваться? Третью неделю своей жизни они проводят рядом с ульями, совершая лишь короткие перелеты, во время которых пчела запоминает азимутальные углы солнца и траекторию его движения, учится ориентироваться по нему – и лишь затем предпринимает далекие путешествия за нектаром. В 2005 г. группа немецких и британских ученых под руководством Рэндолфа Менцеля описала эти первые полеты как период формирования исследовательской памяти пчелы – возможно, той самой когнитивной карты, существование которой предположил Гулд. Однако исследователи обнаружили, что эта карта гораздо более подробная и гибкая, чем считалось раньше. В своей статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ученые описали свой эксперимент. Они взяли три группы пчел и переместили их ночью, а затем отследили траекторию полета с помощью гармонического радара – антенны передатчика прикреплялись к пчелам и излучали сигнал, регистрируемый приемником. Пчелы узнавали знакомые ориентиры с разных направлений и строили новые маршруты из случайно выбранных мест.

Доказано, что бабочки монархи, ящерицы, креветки, омары, каракатицы, сверчки, радужная форель, а также многие виды перелетных птиц используют поляризованный свет в качестве компаса. Но какова природа этого явления? Конвергентная эволюция – одинаковое направление естественного отбора у разных видов? Или общий древний механизм, присутствовавший у далеких предков и переживший многие эпохи?

Одни животные ориентируются по солнцу, другие по звездам. Известно, что африканский жук-навозник ориентируется по солнцу и луне, но в 2012 г. ученые с удивлением обнаружили, что это насекомое способно находить дорогу даже безлунной ночью. Исследователи выпускали жуков с их навозными шариками в огороженное пространство, которое ограничивало визуальные ориентиры на ночном небе, и снимали движение насекомых на видео. Было совершенно очевидно, что жуки ориентировались и в отсутствие луны, а это значит, что для нахождения пути они использовали звезды. Но как? Яркости большинства звезд, отметили ученые, недостаточно для того, чтобы их заметили глаза жука. Но, после того как жуков принесли в планетарий, стало ясно, что они ориентируются по яркому свечению Млечного Пути. По звездам находят дорогу сверчковые квакши, пауки из пустыни Намиб и совка ленточная большая – ночная бабочка. Некоторые виды птиц, в том числе американский зяблик, мухоловка-пеструшка и славка-черноголовка, по всей видимости, ночью следуют за Полярной звездой: она играет для них роль центра вращения.

Но, даже если мы знаем, какие механизмы используют животные, их точность зачастую находится за пределами понимания ученых. Например, часы многих видов животных гораздо точнее биологических часов человека. Достаточно всего лишь двадцати четырех часов без солнца, чтобы рассогласование наших циркадных часов с действительным временем составило в среднем 60 минут. Для пчелы такая неточность станет настоящей катастрофой. Пятнадцатиминутное рассогласование, объясняет Гулд, может привести к ошибке ориентации пчелы в 10 градусов, что даже на небольших расстояниях выльется в ошибку определения места в несколько метров. Для перелетных птиц, мигрирующих на большие расстояния, таких как малый веретенник, подобная неточность смертельно опасна. Каждую осень эти птицы покидают свои гнездовья на побережье Аляски и направляются на юг, в теплые края. Рациональный маршрут пролегает вдоль континентальной дуги Азии к восточному побережью Австралии, где много ориентиров и мест отдыха по пути. Но малый веретенник летит над безбрежными просторами Тихого океана. За восемь дней и ночей птицы преодолевают больше 10 тысяч километров над пустынными водами, прежде чем прибыть в Новую Зеландию. Если они ошибутся даже на несколько градусов, то отклонятся от курса на сотни километров, не попадут к местам кормежки и гнездовий – и погибнут от голода.



Каждый год горбатые киты мигрируют в открытом океане на расстояние, превышающее 15 тысяч километров. Эти млекопитающие весом 40 тонн перемещаются не по прямой, с севера на юг и обратно; киты возвращаются в те места, где они родились и были выкормлены матерями, что требует исключительных навигационных способностей.

Не так давно группа исследователей под руководством Тревиса Хортона из Университета Кентербери показала, насколько точна навигация у китов, в течение семи лет регистрируя с помощью спутников передвижение шестнадцати помеченных особей. Выяснилось, что большую часть пути киты придерживаются неизменного курса, отклоняясь от него не больше чем на один градус. Этот момент стоит объяснить подробнее. Люди могут придерживаться заданного направления, но только при наличии ориентиров, которые позволяют оценить наше продвижение и скорректировать курс. Без такой корректировки мы, сами того не замечая, начинаем описывать круги. Например, исследователи Ян Суман и Марк Эрнст из Лаборатории биологической кибернетики Института Макса Планка обнаружили, что склонность описывать круги особенно выражена у слепых людей. Если человеку завязать глаза, он начинает ходить кругами диаметром около двадцати метров; это происходит даже тогда, когда испытуемый думает, что идет по прямой. Горбатые киты плывут по маршруту, «прямому как стрела»[86] не просто на кратких участках, а многие тысячи километров, причем несмотря на природные факторы, которые могли бы сбить их с верного пути. По пути им встречаются штормы, сильные морские течения, отмели, глубоководные впадины, подводные горные хребты и так далее, днем и ночью, и тем не менее они отклоняются от курса не больше чем на один градус.

Горбатые киты, вероятно, компенсируют влияние внешних сил с помощью пространственной системы координат и ориентиров. Но каких именно? Вероятно, они, подобно многим другим животным, используют солнце в качестве компаса. Однако исследователи обнаружили, что, даже когда отдельные особи начинали свое путешествие в разных районах океана, с разной высотой и азимутом движения солнца, они придерживались одного направления. В других случаях животные, начинавшие миграцию с одного места, где солнце появляется в одной и той же точке на небе, выбирали разные курсы. Это значит, что киты использовали разные опорные ориентиры, чтобы определить свое положение. Если горбатые киты не могут ориентироваться только по солнцу, какую еще точку отсчета они используют? Тот же вопрос возникает при изучении навигационных способностей других животных. Разные виды используют для навигации солнце, звезды, луну, запахи, память и генетическую программу, но ни один из этих факторов не может объяснить, почему столько животных обладают способностью ориентироваться с такой удивительной точностью. В результате ученые, пытаясь объяснить самые сложные примеры миграции, такие как у горбатых китов и веретенников, переключили внимание на «простейший» уровень навигационного инструментария – магнетизм.

На протяжении десятилетий идея, гласившая, что животные ориентируются по магнитному полю Земли, отвергалась научным сообществом как лженаука. Затем, в 1958 г., молодому немецкому аспиранту поручили раз и навсегда опровергнуть эту теорию. Как отмечала историк науки Лиза Поллак, Вольфгангу Вильчко предложили воссоздать эксперимент, выполненный его коллегой, который поместил птиц в закрытое помещение, откуда не было видно ни солнца, ни звезд, но с удивлением обнаружил, что птицы не теряют способности ориентироваться. Объяснить это поведение можно было двумя способами: птицы используют магнетизм – или радиосигналы от звезд. Вильчко отдавал предпочтение гипотезе радиосигналов. Он поместил зарянок в стальную камеру, ослаблявшую магнитное поле Земли, и продержал там несколько дней, пытаясь сбить их внутренние часы. Но при проверке оказалось, что они по-прежнему прекрасно ориентируются. Когда же Вильчко менял направление магнитного поля, птицы меняли направление, в котором пытались улететь. Вильчко вместе со своей женой и коллегой, Росвитой, пришел к выводу, что зарянки, словно с помощью некоего компаса, определяют инклинацию, магнитное наклонение – угол между магнитным полем и земной поверхностью, – и выполнил десятки экспериментов, чтобы это доказать. Тем временем появились другие исследования, показавшие, что магнитное поле чувствуют также акулы, скаты, саламандры, улитки и даже пчелы. В начале 2000-х гг. ученые продемонстрировали, что магнитный компас используют еще 17 видов перелетных птиц, в том числе почтовые голуби.

Представление о том, что животные обладают биологическим компасом, который способен «читать» магнитное поле Земли, теперь превратилось в самое многообещающее объяснение навигации животных. Способностью ориентироваться в магнитном поле обладают не только виды, известные длинными маршрутами миграции, но и практически все животные, которых исследовали ученые. Карпы, плавающие в аквариумах на рыбных рынках Праги, стихийно выстраивались по оси север – юг. Точно так же поступают тритоны в минуту отдыха и собаки, когда приседают облегчиться. Лошади, коровы и олени располагают туловище в направлении север – юг, когда пасутся, – но не под линиями электропередачи, которые искажают магнитное поле. Рыжая лисица почти всегда бросается на мышь с северо-востока. Вероятно, у всех этих видов животных имеется некая органелла, которая работает как магниторецептор, реагирующий на магнитные волны подобно тому, как ухо реагирует на звук, а глаз – на свет.

По мере того как в XX в. множилось число примеров видов животных, обладающих такой способностью, магнитная теория навигации получала все большее распространение. Может ли биологический компас, использующий магнетизм, объяснить способность к навигации таких животных, как горбатые киты?

Возможно. Проблема лишь в том, что обнаружить такой компас никак не удается.



Поиски биологического компаса идут уже почти полвека, и в них участвуют биологи, химики и даже физики. Но анатомическое строение, механизм, расположение и нервные связи магниторецепторов животных по-прежнему остаются загадкой. Кеннет Ломан, специалист по навигации черепах, назвал эти поиски «безумно трудными»[87]. Магнитные поля, писал Ломан в журнале Nature, свободно проходят через биологические ткани, и это значит, что магниторецепторы могут располагаться практически в любом месте. Возможно, они имеют микроскопические размеры и распределены по всему телу, а возможно, магниторецепция имеет химический характер, и это значит, что у нее не существует единого органа или структуры. «Мы все еще пытаемся понять, как они это делают, – говорил мне геолог Джо Киршвинк. – Компас – это иголка в стоге сена».

Я познакомилась с Киршвинком на конференции, организованной Королевским институтом судоходства, который специализируется на навигации в воздухе, на море и в космосе. Один раз в три года эта конференция, посвященная животным, собирает самых известных ученых, которые знакомят коллег со своими исследованиями. В тот год конференция проходила в Королевском колледже Холлоуэй, викторианском здании в нескольких милях к юго-западу от Лондона, в роскошных интерьерах которого снимался сериал «Аббатство Даунтон». Во время перерывов на чай с сэндвичами становилось ясно, что здесь встретились исследователи, которые работали в этой области не один десяток лет, и поэтому атмосфера была дружественной. Однако во взглядах ученых наблюдался раскол.

Один лагерь составляли те, кто был убежден, что биологический компас можно объяснить магнетитом, – это кристаллы железа, присутствующие в клетках животных и позволяющие развиться органам, которые способны обнаруживать геомагнитное поле. Во втором лагере были те, кто верил, что магниторецепцию следует представлять как биохимическую реакцию, на которую влияет магнитное поле Земли, – модель навигации, в основе которой лежит квантовая физика. Некоторые исследователи утверждали, что биологический компас может включать сочетание нескольких механизмов, но многие участники конференции направляли все бюджеты своих лабораторий на подтверждение превосходства одной теории над другими, превращая поиск биологического компаса в научную гонку. Ставки были велики: можно было не только обрести уважение и почет, решив проблему, над которой столько лет напрасно билась наука, но и найти возможность широкого применения этого решения в технике и медицине. Например, открытие механизма биологического компаса могло способствовать развитию новой, только что зародившейся сферы науки – квантовой биологии, основанной на идее о том, что квантовая механика – это не только «глубоко залегающий фундамент, на котором стоит биология»[88], но и реальный механизм, стоящий за многими биологическими явлениями. Возможно, вместе с этим открытием наступит и новая эра магнитогенетики и мы получим способность управлять молекулами в клетках с помощью магнитного поля.

Именно Киршвинк обнаружил минерал магнетит, природный оксид железа, в организме пчел и почтовых голубей, когда еще учился в аспирантуре Принстонского университета. Вскоре он предложил магнетит в качестве основы биологического компаса животных. Для обнаружения магнитного поля Земли достаточно присутствия в клетке лишь нескольких кристаллов магнетита, писал он. Энергичный и искренний, Киршвинк твердо верит в гипотезу магнетита как основы навигации животных. Это, как он объясняет, и есть наиболее рациональный путь эволюции для миграционного поведения, которое наблюдается у самых разных видов животных. Естественный отбор взял некое явление, которое проявлялось очень слабо, – чувствительность магнетита к магнитному полю – и посредством мутаций и репликации генов улучшил его до такой степени, что появились такие мастера навигации, как малый веретенник. «Такие вещи создаются постепенно. Для этого должна быть возможность. Нужно чем-то обладать, чтобы это выбрать, – объясняет Киршвинк. – Когда есть магнит – легко выбрать магнит».

Казалось бы, присутствие магнетита в организме многих животных служит верным доказательством этой модели биологического компаса. В 2000-х гг. многие исследователи думали только об одном: как бы найти магнетит в обонятельных клетках радужной форели, в мозге слепышей и в верхней части клюва почтовых голубей. Но затем группа ученых из Института молекулярной патологии в Вене присмотрелась повнимательнее: исследователи сделали срезы клювов у сотен почтовых голубей, обработали их с помощью окрашивания, чтобы выявить клетки, содержащие железо, и обнаружили большой разброс в количестве таких клеток. У одних голубей их насчитывалась лишь пара сотен, у других – десятки тысяч. Возможное объяснение состоит в том, что эти клетки просто продукт иммунного ответа в птичьих лейкоцитах. Это не значит, что гипотеза магнетита мертва, – вовсе нет. «Один эквивалент магнитной бактерии может дать киту компас. Это всего одна клетка, – говорит Киршвинк. – Удачи в поисках».

Примерно в то же время, когда Киршвинк искал магнетит у пчел, немецкий физик Клаус Шультен изучал, как радикальные пары – две молекулы, каждая из которых обладает неспаренным электроном, – могут реагировать на магнитное поле. Когда два электрона в радикальной паре коррелированы – находятся в состоянии запутанности или когерентности, при которых частицы или волны влияют друг на друга, даже если они находятся на расстоянии или расщеплены, – магнитное поле способно модулировать их спин. Двумя годами позже Шультен опубликовал вторую статью, предположив, что благодаря этому явлению у птиц появляется биомагнитный сенсор, своего рода «химический компас»[89], который приводился в действие после того, как свет вызывал реакцию переноса электрона, создавая радикальные пары, на которые затем воздействовало внешнее магнитное поле.

На протяжении следующих двадцати лет никто не знал, может ли такая реакция с участием радикальных пар проходить в организме животных. «Было ясно, что механизм образования радикальной пары реален, – рассказывал мне Питер Хор, профессор физической и теоретической химии в Оксфордском университете, – но предположения о том, что подобное может происходить в организме птиц, не выходили из области догадок». Затем, в 2000 г., Шультен обратил внимание на недавно открытый белок криптохром, который обнаружили в растениях и считали ответственным за регулирование роста в процессе фотосинтеза. Криптохром относится к флавопротеинам, чувствительным к синему свету; впоследствии его нашли в бактериях, в сетчатке бабочек монархов, дрозофил, лягушек и даже человека. И до сих пор только он обладает необходимыми свойствами для механизма, который иногда называют квантовым компасом.

Хор исследовал поведение радикальных пар, а когда Шультен опубликовал криптохромную гипотезу, решил проверить ее. Во время конференции Хор – седой мужчина в очках с тонкой оправой, настоящий аристократ – рассказал мне, как трудно спроектировать «решающий эксперимент». Пусть даже исследователи могут продемонстрировать, что радикальные пары, образующиеся в белках, чувствительны к магнитному полю, но самое слабое магнитное поле, на которое реагировал криптохром, было в двадцать раз сильнее, чем магнитное поле Земли: никто еще не показал, как эти радикальные пары могут реагировать на необычайно слабое геомагнитное поле. Задачу осложняла практическая невозможность воспроизвести в эксперименте условия, существующие в живой клетке. Хор предполагает, что доказательство криптохромной основы биологического компаса потребует не менее пяти лет исследования, – а возможно, и двадцати. Когда (и если) это произойдет, это будет невероятно важный вклад в новую область, квантовую биологию, которая изучает квантовые эффекты в живых организмах.

Идея, согласно которой в процессе эволюции природа научилась использовать квантовые механизмы, одновременно убедительна и спорна. Например, в настоящее время имеются свидетельства того, что квантовая динамика играет определенную роль в фотосинтезе, когда фотоны поглощаются и переносятся в реакционный центр клетки, где возбуждают электроны. Последующие находки могут привести к появлению новых квантовых технологий. «Надежда в том, что, если все это и правда относится ко квантовой биологии, – сказал Хор, – это, возможно, позволит нам создать более чувствительные магнитные датчики или более эффективные солнечные батареи, заимствуя принципы у природы».



Исследование горбатых китов, проведенное в 2011 г., привело ученых к выводу о том, что миграцию этих животных невозможно объяснить одним магнетизмом, поскольку в их маршрутах отсутствовала устойчивая связь между направлением и магнитным наклонением, или магнитным склонением. На конференции в Лондоне я познакомилась с небольшой группой исследователей, которые скептически относились к магнетизму как универсальному объяснению способностей навигации у животных. Кира Делмор, молодой канадский биолог из Лаборатории эволюционной биологии Института Макса Планка, изучает американского дрозда, два подвида которого используют разные миграционные маршруты. Один летит в Центральную Америку вдоль западного побережья Северной Америки, а другой – через Средний Запад. Делмор хотела с помощью приборов геолокации и секвенирования генома выяснить, ассоциируется ли разное миграционное поведение птиц с определенными генетическими характеристиками. Другими словами, можно ли объяснить направление миграции генетикой? Данные, собранные за несколько лет исследований, показывают, что решение птицы лететь на юг или на юго-восток имеет генетическую основу. «Миграция относится к очень сложному поведению, так что от идеи о существовании гена, который говорит, поворачивать налево или направо, просто дух захватывает», – говорила она.

Хью Дингл предположил, что эволюция создала так называемые миграционные синдромы[90] – сочетание поведенческих и физиологических проявлений, к которым, в частности, относятся подавление поддерживающих действий, использование жира в качестве источника энергии, а также навигация. Каждый из этих синдромов является общим для разных видов и определяет их как мигрирующие. Показательно в этом смысле значение термина синдром. Это слово образовано от греческого συν, что означает «вместе», и δρόμος, что означает «бег». Но в середине XVI в. синдром превратился в медицинский термин, который обозначает состояние, болезнь или нарушение функции организма. Возможно, именно так можно описать состояние арктических гусей, которых каждую весну тянет на север, в Арктику: это не сознательный выбор, а неудержимый порыв. В 1702 г. орнитолог Фердинанд фон Пернау писал, что пернатые мигранты снимаются с места из-за «скрытого побуждения, проявляющегося в нужное время»[91]. В конце XVIII в. натуралист Иоганн Андреас Науман держал иволг и мухоловок-пеструшек в комнате и через маленькое отверстие в двери наблюдал, как с приходом зимы они становились беспокойными и непрерывно пытались вырваться из плена. Чарлз Дарвин рассказывал о том, как Джон Джеймс Одюбон «держал в неволе дикого гуся с подрезанными крыльями; когда настало время перелета, гусь сделался крайне беспокойным, подобно всем перелетным птицам в таких условиях, и, наконец, вырвался на волю»[92]. Какие тайные желания побуждают гусей к далеким путешествиям на север? Какие внутренние силы влекут птиц туда? Нечто подобное встречается и у людей. Американский психолог швейцарского происхождения Элизабет Кюблер-Росс сравнивала внутренние побуждения животных и людей. В юности она плыла на корабле из Европы в Америку, где никогда не была, и записала в дневнике: «Откуда эти гуси знают, когда лететь вслед за солнцем? Кто рассказывает им о временах года? А как мы, люди, узнаем, что пора переезжать? У нас, как и у перелетных птиц, есть внутренний голос, и если бы мы его слышали, то знали бы точно, когда отправляться навстречу неизвестности»[93].