КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-14-00085
НазваниеМагнитный компас и магнитная карта у птиц и земноводных
Руководитель Чернецов Никита Севирович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Зоологический институт Российской академии наук , г Санкт-Петербург
Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-101 - Зоология
Ключевые слова магниторецепция, компасная система, система позиционирования, карта, геомагнитное поле
Код ГРНТИ34.33.27
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
При дальних перемещениях животное должно использовать, во-первых, систему позиционирования, с помощью которой оно осознает, где находится по отношению к цели перемещений. Это требует существования ментальной репрезентации пространства на том пространственном масштабе, на котором происходят рассматриваемые перещения. Эту репрезентацию пространства можно для краткости называть "картой местности". Кроме того, у того же животного должна иметься компасная система, которая позволяет сориентироваться по сторонам света на местности, выбрать и поддерживать компасное направление движения к цели. Система позиционирования и компасная система - две тесно связанные, но отдельные системы, которые не обязаны базироваться на одной и той же физической, а значит, и сенсорной, основе.
У птиц, которые являются наиболее изученной группой позвоночных животных с точки зрения их ориентационных и навигационных систем, большинство исследователей признают существование трёх независимых компасных систем (солнечной, звёздной и магнитной) и не менее двух систем позиционирования (магнитной и ольфакторной). Принято считать, что у птиц магнитный компас и магнитная карта основаны на двух различных магниторецепторных системах, существующих параллельно у одних и тех же видов и особей. Магнитный компас, как считается, основан на обратимых фотозависимых бирадикальных реакциях, происходящих в сетчатке с участием белков криптохромов. При этом существующая биофизическая теория, описывающая этот процесс, не лишена существенных недостатков и может объяснить не все надёжно экспериментально установленные факты (Kavokin, 2009; Hiscock et al., 2017). Вопрос о клеточных механизмах рецепции стимула, формирования сигнала и его трансдукции также отнюдь не разрешён (Астахова и др., 2023).
Земноводные умеренных широт совершают сезонные миграции: весной к нерестовому водоёму, после чего уходят на летние участки, а осенью уходят на зимовку. Протяженность их миграций составляет от нескольких десятков метров до первых километров. Несмотря на относительно небольшой масштаб перемещений, показано, что во время миграций ориентация, осуществляемая по глобальным ориентирам, не только используется земноводными, но в ряде случаев может быть приоритетной по отношению к локальным ориентирам (Шахпаронов, 2012; Pail et al. 2020; Shakhparonov et al. 2022). В качестве глобальных ориентиров могут выступать астроориентиры и магнитное поле Земли (Shakhparonov and Ogurtsov, 2017; Phillips and Diego-Rasilla, 2022). Многие земноводные предпочитают перемещаться во время дождя при сплошной облачности, поэтому ориентация по магнитному полю должна иметь для них важное значение. Механизм работы магнитного компаса земноводных, в отличие от птиц, остаётся малоизученным. В частности, не до конца ясно, является ли он светозависимым, что указывало бы на механизм обратимых бирадикальных реакций.
Магнитная карта птиц, как принято считать, основана на магнитных свойствах соединений железа. Рецепция происходит в надклювье, сигнал передаётся по первой веточке тройничного нерва (Heyers et al., 2010; Lefeldt et al., 2014) и необходим для того, чтобы птицы понимали, где они находятся на трассе миграции (Kishkinev et al., 2013, 2015; Pakhomov et al., 2018). Сам факт наличия двух принципиальных разных механизмов рецепции одного и того же физического стимула (слабого стационарного геомагнитного поля) и использование его для решения двух связанных между собой, но отдельных задач (компаса и карты) крайне интересен с точки зрения эволюционной физиологии. Принято считать, что карты мигрирующих птиц не являются врождёнными, а формируются в течение онтогенеза с накоплением индивидуального опыта (Чернецов, 2016). Более того, для успешного использования широкомасштабной карты птицы должны проявлять способность к экстраполяции значений стимула за пределы когда-либо испытанных значений (Kishkinev et al., 2021). Ход формирования магнитной карты у мигрирующих птиц в онтогенезе не изучен.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Полученные в 2024 г. результаты экспериментов на мухоловках-пеструшках Ficedula hypoleuca показывают, что острого пика чувствительности механизма магнитного компаса птиц к слабым переменным магнитным полям (МП) именно на Ларморовой частоте нет (поскольку синусоидальные поля сходной амплитуды приводили к дезориентации на частоте 1,5 МГц, но не на Ларморовой частоте 1,41 МГц). Возможно, пик чувствительности существует, но сдвинут в сторону высоких частот. Возможно также, что чувствительность плавно нарастает с частотой переменного поля.
Кроме того, результаты экспериментов в переменном МП с частотой 1,41 МГц свидетельствуют о более высокой чувствительности магнитного компаса к амплитудно-модулированному полю, чем к синусоидальному. Это потенциально чрезвычайно важный результат, поскольку он несовместим с гипотезой о непосредственном влиянии слабых переменных МП на бирадикальные реакции в криптохроме. Результаты экспериментов на 1,5 МГц пока не подтверждают его, но и не опровергают. Для получения определенного вывода необходимо повторить эти эксперименты с более низкой амплитудой переменных полей, которая была бы ниже порога чувствительности к синусоидальному полю на этой частоте.
Ранее нами было показано, что травяные лягушки Rana temporaria могут использовать инклинационный магнитный компас для выбора миграционного направления во время нереста при освещении полного спектра (Shakhparonov et al. 2024). Для выяснения светозависимости магнитного компаса лягушек необходимо тестировать в темноте, для чего нужна темновая адаптация около 2 ч. Проведённые в 2024 г. на 134 лягушках эксперименты показали, что время передержки может оказывать влияние на мотивацию лягушек. Так, лягушки контрольной группы, протестированные в Т-лабиринте, помещённом в кольца Мерритта, при передержке до 90 мин статистически значимо выбирали миграционное направление по МП, а при передержке более 120 мин распределялись равномерно. Наши эксперименты показали, что использование протокола с двухчасовой темновой адаптацией является нецелесообразным, т.к. допускает двоякую интерпретацию отрицательного результата. Для дальнейшего исследования светозависимости магнитного компаса лягушек необходимо более точно определить время темновой адаптации у интактного животного. Кроме того, было обнаружено, что лягушки соседних популяций не реагировали на изменение МП закономерным изменением выбора рукава лабиринта. Это является первым свидетельством наличия межпопуляционной изменчивости в использовании магнитного компаса у амфибий.
Опыты, проведённые в период осенней миграции, показали, что лягушки способны выбирать направление на ССЗ (т.е. к реке) в арене диаметром 1 м, что делает возможным дальнейшее изучение компасной ориентации в аренах малого диаметра. Поворот горизонтальной компоненты МП приводил к дезориентации неполовозрелых лягушек, несмотря на полный доступ к остальным ориентирам. То есть, по всей видимости, МП используется для выбора направления по крайней мере частью особей, но для получения более надёжных данных требуются дополнительные опыты. Также осенью была отработана методика тестирования взрослых особей в круглой арене с экранированием внешних ориентиров (визуальных и запахов, переносимых ветром).
Мы также изучали ориентацию болотных камышевок Acrocephalus palustris и серых мухоловок Muscicapa striata до и после имитации пересечения магнитного экватора во время осенней миграции. Эксперименты включали три этапа: тесты в естественном МП, воздействие горизонтального МП, и повторное тестирование ориентации в естественном поле. Результаты показали, что ни один из видов не изменил направление ориентации (юго-запад) после двухдневного воздействия горизонтального МП, в отличие от садовых славок Sylvia borin, реориентация которых была описана в предыдущих исследованиях. Это свидетельствует о видовой специфичности механизмов ориентации и о том, что стимулы для переключения ориентации при пересечении магнитного экватора могут различаться между видами мигрирующих птиц.