Файл: Дубров, А. П. Геомагнитное поле и жизнь (краткий очерк по геомагнитобиологии).pdf

Наблюдения помогут выявить причинные связи того, что в зависимости от своего физиологического состояния птицы избирают разные миграционные направления: вес­

ной — северное, а осенью — южное [459]. Возможно, в этом немалую роль играет особая чувствительность их к ГМП, по времени, почти точно совпадающая с отмеченным нами ранее повышением геомагнитной активности именно в эти периоды года. Обнаруженные случаи противоположных

результатов также могут быть хорошо объяснены с точки зрения функциональной диссимметрии, когда один и тот же фактор, в данном случае наложение искусственного магнитного поля, оказывает различное влияние на особи, принадлежащие к разным энантиоморфам [102]. Кроме того, возможно, что успешное проведение экспериментов по изучению ориентационных способностей птиц во многом зависит от геомагнитной активности в период исследова­ ния [606, 607], от выбора напряженности используемого магнитного поля, которое особенно биологически эффектив­ но в диапазоне величин ГМП [641], и других факторов.

Возможные механизмы ориентации у птиц. Способность птиц находить дорогу к своим гнездовьям, упорядоченные

сезонные миграции птиц, а также другие ориентационные эффекты давно интересовали ученых различных специаль­ ностей — орнитологов, экологов, физиков, биоников, при­ чем интерес последних был связан с наличием навигацион­ ных способностей у птиц.

Известно, что птицы могут совершать перелеты на не­ сколько тысяч километров, но приходят к финишной точке с точностью в несколько километров. Например, кроншне­

пы (Numenius tahitensis), гнездящиеся на Аляске, в пери­ од зимней миграции летят к островам Таити и Гавайским около 10 тысяч километров, из которых 3 тысячи километ­ ров — над морем [167 а].

Несмотря на то что механизм бионавигации у птиц не раскрыт, в его изучении наметилось два направления, ус­

ловно названные нами «функциональным» и «физиче­ ским». Первое из них считает ориентационный поиск у птиц основанным на том, что птицы имеют внутренний физиологический механизм, связанный с инстинктом и за­

поминанием мест гнездовий, путей сезонных миграций и т. д. Второе направление, «физическое», исходит из на­ личия у птиц особых способов перцепции физических пара­

100

метров внешней среды (силы Кориолиса, возникающей вследствие вращения Земли, положения Солнца над гори­ зонтом, звездных ориентиров, ГМП и т. д.). Некоторые ис­ следователи считают, что благодаря таким ориентирам

птицы могут определять координаты мест своих гнездовий, зимовок и путей передвижения в пространстве.

Вне сомнения, пространственная ориентация птиц — сложнейшая проблема, которой посвящены сотни научных

работ, как теоретических, так и экспериментальных [15, 446, 516]. Не затрагивая всей проблемы в целом, рас­ смотрим только те работы, в которых обсуждению подвер­ галась возможная роль ГМП в ориентации птиц, с тем, что­ бы представить себе, насколько правомерны подобные

предположения.

Мысль о возможной роли ГМП в ориентации птиц, впервые высказанная в середине XIX в. [523], в дальней­ шем подвергалась подробному обсуждению и даже провер­ ке, правда, с использованием искусственных магнитов.

Результаты исследований были столь разноречивыми, что в некоторые периоды ученые полностью исключали воз­ можную роль ГМП в навигационной способности птиц.

В шестидесятые годы работы по магнитобиологии и ориен­

тации птиц вновь возбудили интерес к проблеме и привели к созданию новых любопытных гипотез. Например, было высказано предположение, что важную роль в механизме

влияния ТМП на ориентацию птиц может играть особое образование в глазу у птиц — «гребешок» [73, 613]. По мне­ нию авторов исследования [74], сочетание действия ГМП

и света на гребешок создает условия для проявления в нем фотомагнитного эффекта Кикоина—Носкова, что позволяет рассматривать гребешок как своеобразный биологический магнитометр. При постоянном освещении гребешка возни­ кает возможность появления в ГМП магнитоконцентраци­ онных эффектов, вследствие того что изменение напряжен­ ности поля влияет на степень разделения носителей элек­ трических зарядов в элементах гребешка. Указанные явле­ ния могут стать причиной возникновения диффузионных токов, способных быть раздражителями для волокон зри­ тельного нерва.

Другие исследователи особое значение придают гори­ зонтальной составляющей ГМП [231—233, 438, 439]. В ре­ зультате анализа многочисленных карт было замечено, что

миграционные пути перелета птиц пролегают перпендику­

101

лярно изодинам, т. о. идут в направлении изменения гра­ диента напряженности горизонтальной составляющей ГМП. Поэтому была предложена гипотеза, по которой

представляется вероятным, что птицы могут запоминать места гнездовий по соответствующему для них значению напряженности горизонтальной составляющей ГМП [233]. Автор этой гипотезы считает также, что птицы, объ­ единяясь в стаи и «послегнездовые кочевки» — групповые

полеты в направлении будущего миграционного перелета, формируют «групповой условный рефлекс» на ГМП как на условный раздражитель. В пользу геомагнитной гипотезы навигации говорят также особенности поведения стай во

время перелетов: после отдыха и кормежки в ряде пунктов миграционного пути птицы совершают круговые полеты, которые переходят в эллипсы, вытянутые в направлении миграционного пути. Это может быть подкреплением груп­ пового условного рефлекса на ГМП и выбором азимута для дальнейшего перелета.

В основу другой интересной гипотезы ориентация птиц

лишь по одной замкнутой линии, в любой точке которой магнитное наклонение одинаково по величине (изоклины), причем в разных полушариях на аналогичных изоклинах наклонение отличается только по знаку. Вместе с тем сила земного притяжения тоже меняется с широтой вследствие неправильности шарообразной формы Земли. Таким обра­ зом, магнитное наклонение и сила тяжести могут быть факторами, обеспечивающими жесткую систему координат, поскольку число точек с двумя одинаковыми параметрами не превышает четырех — в местах пересечения изоклин с географическими параллелями. Итак, выдвинуто доста­ точно много новых гипотез, экспериментальная проверка которых в ближайшие годы поможет внести ясность в ре­ шение этого сложного вопроса. Важно подчеркнуть, что, по мнению некоторых исследователей, без учета возможного влияния ГМП нельзя подойти к решению проблемы ори­ ентации птиц [77, 78].

Из всего сказанного следует, что для выявления роли ГМП в навигации у птиц необходимы дальнейшие углуб­

ленные исследования. Сама проблема ориентации птиц, их

102

переплетаются эволюционно закрепленные инстинкты, фи­ логенетические особенности развития и сложная взаимо­ связь между внутренними эндогенными гормональными процессами и действием различных внешних физических

факторов, о значении которых сейчас известно очень мало.

Рыбы

Реакция рыб на электрические поля, их высокая чувст­

вительность к электромагнитным полям и уникальная спо­ собность вырабатывать «живое электричество» широко известны [235]. C учетом этого и способности рыб ориенти­ роваться по слабым магнитным полям были предложены гипотезы, объясняющие возможность ориентации рыб прп миграции с помощью магнитного поля Земли. В основе

таких гипотез лежат данные об образовании в теле рыб токов индукции [261] или изменении конфигурации токов суммарного поля стаи, образуемого рыбами при миграции [235]. Однако экспериментальных работ, где прямо исследо­ валась бы реакция рыб на ГМП, еще мало. Между тем ихтиологи указывают, что рыбы способны к навигации в открытом море . При далеких передвижениях они могут прокладывать себе курс и у них отмечаются те же особен­ ности, которые рассматривались нами при описании мигра­ ций птиц. Например, рыбы совершают ежегодные мигра­

ции, протяженность которых может достигать нескольких тысяч километров. Рыбы способны к хомингу и при этом освещенность, температура, соленость воды не играют заметной роли, кроме того, в условиях круглого водоема они правильно определяют направление без астрономиче­ ских или гидрологических ориентиров [59, 202, 524, 616,

617].

Несомненно, что отсутствие данных о фактическом пути

рыб во время миграций и зависимости этого пути от кон­ кретной экологической обстановки затрудняет изучение вопроса ориентации рыб. Однако даже единичные экспери­ ментальные исследования убеждают в большой значимости ГМП для ориентации рыб. В одном из экспериментов был применен способ дистанционного наблюдения за мигрирую­ щей рыбой [218, 219]. Со шлюпок и с судна следили за пе­ ремещением рыб, меченых легкими поплавками, прикреп­ ленными на длинной силоновой леске к спинному плавни­ ку. Секстаном и по пеленгам многократно (несколько раз

103

в час) определяли точное положение поплавка, наносили на карту фактический путь рыбы и вычисляли скорость ее движения. Продолжительность опыта с одной рыбой коле­

балась от нескольких часов до нескольких суток, составив 607 дневных и 117 ночных наблюдений за 93 особями.

нилища. Автор этого уникального исследования отмечает,

что местные рыбы после выпуска из садка начинали дви­ жение по кругу, затем выбирали нужное направление

ив дальнейшем придерживались его, не отклоняясь значи­ тельно в сторону. Рыбы, привезенные из других районов

ипопавшие в незнакомую обстановку, после выпуска часто меняли направление, а затем начинали сплывать по тече­

нию или подниматься вверх в зависимости от того, какой тип перемещения (скат или подъем) был для них прерван

всвоем районе. Обнаружено, что направление движения у пересаженных в незнакомый район рыб в 87,5 % случаев

иу местных особей в 50% случаев совпадало с направле­ нием магнитного меридиана. Подобная ориентация по ГМП происходила на участке миграционного пути при движе­ нии рыб в водной массе с однородными гидрофизическими

показателями и проявлялась тем чаще, чем большее число факторов оказывалось стабильным. Во время движения по магнитному меридиану скорость в 90,5% случаев отлича­

лась от имевшей место на предшествующем отрезке мигра­ ционного пути и в 60% из них оказывалась выше. На осно­

ве дисперсионного анализа собранного материала автор [218, 219] оценил роль всех рассматриваемых факторов

среды в системе ориентации мигрирующей рыбы. По его мнению, температура, электропроводность и глубина явля­ ются основными для ближней ориентации леща, но при

движении рыбы в однородной среде они оказываются мало­ надежными и заменяются другими, в частности, ориента­ цией по ГМП.

Наряду с изучением роли ГМП в ориентации рыб, на­ ходившихся в естественных условиях, были предприняты попытки изучить роль ГМП и в строго контролируемых условиях внешней среды [30, 31, 38, 57—59]. Для этой цели в специально сконструированном лабиринте, где проходы

параллельны всего трем осям в плоскости, лежащим под углом 120° друг к другу, определялась частота появления каждой особи рыбы на всех трех направлениях по странам

104

света. Опыты были проведены в лабиринтах, находящихся в изолированном помещении со стабилизированной темпе­ ратурой, освещенностью, в условиях ГМП и при его устра­ нении с помощью колец Гельмгольца. Два лабиринта были ориентированы по компасу одной из своих осей относитель­ но магнитного меридиапа под углом 0 и 30°, чем достига­ лось использование шести направлений по странам света. Рыбы, стеклянная молодь угря (10—15 см длиной), запу­ скались по одной в каждый лабиринт, где содержались до решения ими 250 задач выборов, после чего рыб заменяли новыми. Всего на широте Ленинграда было проведено

11 тысяч наблюдений над 44 особями рыб. Опыты показа­ ли, что в условиях ГМП рыбы с надежностью 0,99 по t-критерию Стьюдента преимущественно появляются в на­ правлении 30—210o (SSW—NNE) и избегают направление 90—270o (Е—W). При компенсации ГМП движение было случайным, с равновероятностным отношением к странам света. Исследования по этой методике были повторены

в Одессе, Калининграде и также подтвердили, что угри спо­ собны к рецепции ГМП и выбирают в каждом географиче­ ском пункте определенное направление движения [31]. В указанном исследовании лабиринт устанавливался так, чтобы одно из трех направлений движения угрей составля­

ло прямой угол с горизонтальной составляющей напряжен­ ности ГМП в данном месте исследования. Это направление соответствовало курсу W—Е, а остальные направления

соответствовали курсам NNW—SSE и NNE—SSW. Опыты проводились над 24 особями угря, выпускаемыми в лаби­ ринт на 5 минут. Суммирование частоты появления на

каждом из трех направлений лабиринтов показало, что

1460 появлений было на W—Е, 1176 — на NNW—SSE

и903 появления на SSW—NNE. Вероятность отклонения более чем на 5% от математического ожидания (1180) яв­ ляется величиной порядка IO-7. В направлениях же W—E

иSSW—NNE отклонение составляло соответственно 24

и31%, что указывает на перавновероятность избираемых направлений и предпочтительность направления W—Е.

Следует отметить, что для Ленинграда [31] данные отлича­ лись от описанных выше: из 3851 наблюдений оказалось

1264 на W-Е, 1181 —на SSE-NNW, 1406 - на SSW-

NNE. В случае когда лабиринты помещали внутрь колец Гельмгольца и при компенсации ГМП частота появления

на каждом из трех направлений была почти одинаковой —

105

соответственно 1260, 1228 и 1222 появления. Все три ве­ личины расположены внутри доверительного интервала,

соответствующего критерию значимости 95 и 98%.

Таким образом, впервые были проведены четкие экспе­

рименты, показавшие, что при ориентации в пространстве

рыбы могут использовать ГМП. Можно думать, что такая способность сейчас развита у тех форм живых организмов,

которые более чувствительны к внешним электромагнит­ ным полям, теснее связаны с этими факторами внешней среды и совершают большие миграционные перемещения.

Местные же локальные стада рыб, перемещающиеся на незначительные расстояния, постепенно утрачивают эти

способности или пользуются ими крайне редко.

Различные представители животного мира

Исследования по выяснению роли ГМП в жизнедея­ тельности самых различных организмов [421, 422], выпол­ ненные с большой тщательностью, столь многочисленны и разнообразны (по изученным процессам, группам живот­

ных, по обилию методик), что в рамках настоящей книги не представляется возможным проанализировать пол­ ностью полученные результаты. Учитывая, что эти иссле­ дования были подробно описаны ранее в зарубежной и оте­

чественной литературе [32, 231, 316, 320, 413, 420—422],

здесь ограничимся лишь кратким изложением их результа­

тов. Магнитобиологи впервые экспериментально показали значение ГМП для ритмики функциональных процессов,

ориентации животных в пространстве и тем самым заложи­

ли современные теоретические и экспериментальные осно­ вы геомагнитобиологии.

В результате экспериментальных работ был сделан вывод, что ГМП является важнейшей пространственно-вре­ менной координатой для живых организмов [418, 420, 422]. Этот вывод в его аксиоматической форме, высказанный

еще в тридцатых годах [150, 257, 479], получил эксперимен­ тальные подтверждения в работах с искусственными

[201, 564] и естественными магнитными полями [87, 88, 102,

152, 295, 296].

Исследования, проведенные с различными биологиче­

скими объектами (картофель, морковь, дождевые черви, дрозофила, улитки, раки, саламандры, белые мыши и т. д.), выявили, что у всех организмов изменения метаболизма

106

происходили с солнечно- и лунно-суточной периодичностью [413, 416, 419, 421, 422]. Поскольку исследования произво­ дились в термобароклавах или факторостатах, где показа­ тели внешней среды были постоянными, то единственными регуляторами указанной периодичности могли быть ГМП

и гравитация. Последующие опыты показали также высо­ кую чувствительность организма не только к слабым маг­ нитным полям (0,5—1 гаусс), но и к электрическим полям

и способность различных организмов ориентироваться в на­ правлениях стран света при полном отсутствии каких-либо внешних ориентиров [398, 471, .541, 565].

Ряс. 22. Суточный ритм радиочувствительности у мы­ шей и изменение геомагнитного поля, 10 сентября

1964 г. [94].

1 — смертность животных (%); составляющие ГМП: 2 — го­ ризонтальная (гаммы), 3 — вертикальная (гаммы).

ГМП оказывает влияние на ритмичность всех процес­

сов, совершающихся в живом организме и биосфере в це­ лом. Причем определяющее влияние ГМП на ритмику от­ четливо выявляется методом прямого сопоставления у рас­

тений и животных [24, 89, 92, 147, 166, 167, 356, 409, 415]. Обращает на себя внимание тот факт, что суточная рит­

мика радиочувствительности, отмеченная во многих ра­

ботах радиобиологов [153], т. е. изменение эффективности

•облучения ионизирующей радиацией в течение суток, зави­

сит от изменения геомагнитного поля (рис. 22).

Таким образом, изложенные выше данные свидетельст­

вуют о большой важности ГМП для жизни животных. ГМП в силу своих особенностей может давать всю необходимую пространственно-временную информацию для живых орга­ низмов. ГМП определяет ориентацию в пространстве, рит­ мичность происходящих процессов и оказывает сильное влияние на физиологию и биохимизм животных.

107