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.

 

Публикации

1. Утвенко Г.А., Горват П.А., Гребенькова А.П., Пахомов А.Ф., Чернецов Н.С. Magnetic orientation of marsh warblers (Acrocephalus palustris) and spotted flycatchers (Muscicapa striata) after simulated crossing of the magnetic equator Journal of Experimental Biology, Т. 228, статья jeb248169 (год публикации - 2025)
10.1242/jeb.248169

2. Чернецов Н.С., Ротов А.Ю., Астахова Л.А Магниторецепция птиц: поиск рецептора в сетчатке Всероссийская научная конференция "Императив академика А.А. Ухтомского - мозг и его самопознание". Тезисы конференции. С.-Петербург, 15–18 апреля 2025 года. С.-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, С.-Петербург. , номер статьи snF7004 (год публикации - 2025)

3. Чернецов Н.С., Утвенко Г.А. Do first-time avian migrants know where they are going: the clock-and-compass concept today Frontiers in Physiology, Т. 16, статья номер 1562569. (год публикации - 2025)
10.3389/fphys.2025.1562569

4. Чернецов Н.С. Механизмы ориентации и навигации мигрирующих птиц - компасы и карты «Морская биология в 21 веке»: тезисы докладов Всероссийской конференции (памяти акад. Алексея Викторовича Жирмунского), 25–26 сентября 2025 г., Владивосток, Россия / сост. А.В. Лаврентьева. ̶ Владивосток: ННЦМБ ДВО РАН, 2025., С. 290-291. (год публикации - 2025)


Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В весенний период 2025 г. мы получили дополнительное подтверждение тому, что амплитудно-модулированное поле воздействует на ориентацию мухоловки-пеструшки в большей степени по сравнению с синусоидальным. Таким образом, этот факт был подтвержден в оба сезона миграции. Из предположения о том, что переменные магнитные поля воздействуют на радикальные пары в криптохроме и, таким образом, непосредственно нарушают работу магнитного компаса птиц, следует, что в условиях модуляции эффект переменного поля будет ослаблен или вовсе будет отсутствовать. Данные, полученные весной 2025 года еще раз показали, что это не так, и таким образом, продемонстрировали, что эффект дезориентации птиц в переменных магнитных полях не связан с их воздействием на электронные спины (и, соответственно, на радикальные пары в криптохроме). Наши данные позволяют предположить, что эффект переменных магнитных полей на способность птиц ориентироваться по магнитному полю связан с воздействие переменного поля на отдельную сенсорную систему. Предположительно, эта гипотетическая система специализируется на детектировании возмущений геомагнитного поля, чтобы избежать ошибок в ориентации в условиях возмущения геомагнитного поля в результате солнечной активности или атмосферных явлений, в частности, гроз. В период осенней миграции 2025 г. мы проверили предположение о том, что тропические грозы могут влиять на ориентацию птиц по магнитному полю. Созданная в рамках проекта оригинальная установка позволила создавать электромагнитные импульсы, имитирующие прохождение сильной грозы в 3 км от места исследования. Воздействии на мухоловок-пеструшек таких электромагнитных импульсов приводило к полной дезориентации птиц, в то время как в отсутствие электромагнитных импульсов, имитирующие прохождение сильной грозы, те же самые птицы были способны выбирать направление, соответствующее направлению их сезонной миграции. Полученный результат говорит в пользу того, что у птиц существует отдельная сенсорная система, чувствительная к переменным магнитным полям и осуществляющая функцию предупреждения о неблагоприятных для миграционного полета условиях. Была впервые измерена скорость темновой адаптации у амфибий поведенческим методом с помощью оптомоторного барабана. Большая часть лягушек адаптировалась через 1,5 ч, что близко ко времени регенерации родопсина для изолированной сетчатки. Полученное для травяной лягушки время, учитывая происходящее при передержке изменение мотивации, делает нецелесообразным применение темноты для дальнейшей проверки светозависимости магнитного компаса на этом виде (неполная адаптация к темноте вызывает стереотипное поведение поворота налево). В 2025 г. в отличие от всех предыдущих лет исследований распределение в Т-образном лабиринте (нерестовый водоём – река) относительно магнитного поля при белом свете не отличалось от случайного. Причины этого пока не вполне понятны, не исключено, что это результат магнитной бури, произошедшей перед началом экспериментов. Однако лягушки, поворачивавшие по магнитному полю в сторону нерестовых прудов, делали свой выбор быстрее особей, повернувших к реке. Вероятно, компас не был полностью отключен. Отсутствие контроля не позволило полноценно провести эксперименты при монохроматическом свете, которые были ограничены в этом году отработкой методики, негативного влияния красного или синего света на поведение лягушек не обнаружено. Эксперименты, проведённые во время миграции на зимовку в круглой арене, показали, что расположение оборудования возле катушек Мерритта никак не влияет на выбор лягушек, как и следовые дорожки, оставляемые на траве другими особями. Опыты с неполовозрелыми особями показали, что при доступе ко всем остальным ориентирам лягушки способны ориентироваться в миграционном направлении к реке, при этом магнитный компас не является доминирующим способом ориентации, так как изменение магнитного поля приводит лишь к незначительному увеличению разброса в выбираемых лягушками направлениях. При экранировании внешних ориентиров взрослые лягушки способны выбрать правильное направление миграции. Проведена серия экспериментов по виртуальному смещению молодых восточных соловьев вдоль осеннего миграционного маршрута. С помощью катушек Мерритта мы последовательно воспроизводили геомагнитные условия четырех точек пути – от района Куршской косы до района Северного Египта, в то время как контрольные птицы все время оставались в естественном магнитном поле. У всех особей в течение опыта регистрировались масса тела и суточное (а также накопленное) потребление корма. Полученные данные показали плавное увеличение массы тела и потребления пищи в обеих группах, без резкого усиления жиронакопления или изменения потребления корма после перевода экспериментальных птиц в магнитное поле, соответствующее Северному Египту, по сравнению с контролем. Итоговый регрессионный анализ с учетом повторных измерений не выявил устойчивых статистически значимых различий по массе тела, суточному и кумулятивному потреблению пищи между птицами в естественном и искусственно смоделированном магнитном поле. Нам не удалось воспроизвести эффект, описанный Fransson et al. (2001), что ставит под вопрос гипотезу, согласно которой магнитные «реперные точки» маршрута сами по себе запускают усиленное жиронакопление перед преодолением крупных экологических барьеров.

 

Публикации

1. Утвенко Г.А., Горват П.А., Гребенькова А.П., Пахомов А.Ф., Чернецов Н.С. Magnetic orientation of marsh warblers (Acrocephalus palustris) and spotted flycatchers (Muscicapa striata) after simulated crossing of the magnetic equator Journal of Experimental Biology, Т. 228, статья jeb248169 (год публикации - 2025)
10.1242/jeb.248169

2. Чернецов Н.С., Ротов А.Ю., Астахова Л.А Магниторецепция птиц: поиск рецептора в сетчатке Всероссийская научная конференция "Императив академика А.А. Ухтомского - мозг и его самопознание". Тезисы конференции. С.-Петербург, 15–18 апреля 2025 года. С.-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, С.-Петербург. , номер статьи snF7004 (год публикации - 2025)

3. Чернецов Н.С., Утвенко Г.А. Do first-time avian migrants know where they are going: the clock-and-compass concept today Frontiers in Physiology, Т. 16, статья номер 1562569. (год публикации - 2025)
10.3389/fphys.2025.1562569

4. Чернецов Н.С. Механизмы ориентации и навигации мигрирующих птиц - компасы и карты «Морская биология в 21 веке»: тезисы докладов Всероссийской конференции (памяти акад. Алексея Викторовича Жирмунского), 25–26 сентября 2025 г., Владивосток, Россия / сост. А.В. Лаврентьева. ̶ Владивосток: ННЦМБ ДВО РАН, 2025., С. 290-291. (год публикации - 2025)