Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Вечером 9 января 1975 года взволнованный Кен позвонил Уркухартам с известием, что он «нашел колонию!.. Миллионы монархов — в вечнозеленых зарослях близ гор». Кен сообщил исследователям, что отправился туда по наводке мексиканских лесорубов, которые утверждали, будто бы видели стаи рыжих бабочек, когда пересекали горы с нагруженными ослами. Тогда в январе 1976 года при поддержке Национального географического общества Нора и Фред собрали экспедицию, чтобы найти и задокументировать таинственное место зимовки монархов, прибывающих в Мексику. На следующий день они отправились в деревню, чтобы совершить оттуда восхождение на «Гору бабочек», на высоту около трех тысяч метров. Такой трудный подъем на большую высоту не был привычным делом для уже немолодой пары (Фреду было 64), и они не были уверены, смогут ли они вообще добраться до вершины. Тем не менее с сердцами, выпрыгивавшими из груди, и с воспоминаниями о ярких бабочках, порхавших в солнечном свете Торонто, они достигли вершины — плато с редкими зарослями можжевельника и остролиста. И там не было никаких бабочек. Разочарованные и изнуренные, они спустились на поляну, заросшую хвойными деревьями, характерными для гор Центральной Мексики, — и именно здесь Фред и Нора наконец-то нашли то, что они искали полжизни: «Мириады бабочек — повсюду. В какой-то умиротворяющей полудреме они облепили ветви деревьев, подобно гирляндам, они окутали стволы деревьев и буквально укрыли землю живым ковром». Пока они стояли затаив дыхание, в восхищении от этого невероятного зрелища, ветка одного из деревьев обломалась, и среди упавших на него бабочек Фред заметил знакомую белую метку с его инструкцией: «на кафедру зоологии Университета Торонто». Эта конкретная бабочка была помечена добровольцем по имени Джим Гилберт из городка Часка, штат Миннесота, расположенного более чем в трех тысячах километров от места, где они находились[83]!

В наши дни путешествия бабочек-монархов считаются ярчайшим примером великих миграций животных. Каждый год в период с сентября по ноябрь миллионы монархов из юго-восточной Канады отправляются на юго-запад и совершают путешествие длиною несколько тысяч километров. Их путь лежит через пустыни, прерии, поля и горы, через географическое «игольное ушко» прохладных речных долин шириной 80 километров между Игл-Пасс и Дель-Рио в Техасе — к вершинам дюжины высоких гор в Центральной Мексике, где они в конце концов находят приют. А весной, после зимовки на прохладных вершинах мексиканских гор, монархи отправляются в обратный путь, к местам, где летом их ожидает огромное количество корма. Самое примечательное, что ни одна отдельно взятая бабочка не проделывает весь этот путь. Они размножаются по пути, так что бабочки, которые возвращаются в Торонто, — это внуки тех монархов, что покинули Канаду осенью.

Как этим насекомым удается перемещаться с такой точностью, что они могут достичь крошечной цели за тысячи километров от места рождения — цели, где ранее бывали только их предки? Это еще одна из тех огромных загадок природы, которые начинают проясняться только сейчас. Как и все мигрирующие животные, бабочки используют различные чувства, включая зрение и обоняние, а также солнечный компас, который помогает корректировать движение по Солнцу в течение дня, по так называемым циркадным часам, биохимическому процессу, присущему всем животным и растениям, который позволяет отслеживать смену дня и ночи в течение суток. Такие часы мы часто называем биологическими или внутренними.

Циркадные часы знакомы нам, например, по собственной усталости, накапливающейся к вечеру, бодрости, которую мы ощущаем утром, а также по тому, как тяжело порой переносим смену часовых поясов при длительном перелете. В последние несколько десятилетий была сделана целая череда увлекательных открытий, проливающих свет на механизм работы этих часов. Одним из наиболее удивительных является тот факт, что испытуемые, которые находятся в изоляции в условиях постоянного освещения, все равно способны поддерживать примерно 24-часовой цикл активности и отдыха, несмотря на отсутствие внешних ориентиров. Кажется, что наши «внутренние» — циркадные — часы жестко запрограммированы. Эти «встроенные» часы, задающие темп всему организму (наше «циркадное чутье»), находятся в головном мозге, а точнее, в гипоталамусе. Несмотря на то что люди в условиях постоянного освещения по-прежнему придерживаются примерно 24-часового цикла, их циркадные часы постепенно сдвигаются относительно реального времени суток, так что их периоды бодрствования и сна не будут синхронны с периодами бодрствования и сна у тех людей, которые не участвуют в эксперименте. Тем не менее при возвращении в условия естественного освещения циркадные часы испытуемых довольно быстро перенастраиваются на фактический цикл дня и ночи в процессе, который получил название «подгонка к суточному ритму».

Солнечный компас бабочек-монархов работает по принципу сравнения высоты Солнца с временем суток — отношения, которое изменяется как с широтой, так и с долготой. Должно быть, у них тоже есть свои биологические часы, которые, как и наши, автоматически подстраиваются под освещенность, чтобы компенсировать изменение во времени восхода и захода Солнца в течение долгой миграции. Но где же у монархов располагаются эти биологические часы?

Как выяснили Уркухарты, бабочки не самые простые животные для исследования; плодовые мушки, о которых мы говорили в предыдущей главе и которые способны учуять и проложить путь сквозь лабиринт, являются гораздо более удобными лабораторными насекомыми, так как они очень быстро размножаются и легко мутируют. Как и мы, плодовые мушки корректируют свои биологические ритмы по циклам смены дня и ночи. В 1998 году генетики обнаружили дрозофил-мутантов, у которых циркадный ритм не зависит от воздействия света[84]. Они выяснили, что мутация произошла в гене, кодирующем белок глаз под названием «криптохром». Подобно белковым каркасам фотосинтезирующих комплексов, которые обеспечивают целостность молекулы хлорофилла (как мы узнали из главы 4), криптохромные белки оборачиваются вокруг молекулы пигмента под названием ФАД (флавинадениндинуклеотид), который поглощает синий свет. Так же как в процессе фотосинтеза, поглощенный свет выбивает электрон из пигмента, что приводит к генерации сигнала, который поступает в мозг мушки, чтобы синхронизировать ее внутренние часы с каждодневной сменой дня и ночи. Мушки-мутанты, обнаруженные в 1998 году, утратили этот белок, так что их биологические часы уже не приспосабливаются к циклической смене дня и ночи: они утратили внутреннее ощущение времени.

Похожие криптохромные пигменты были позже найдены в глазах многих других животных, включая человека, и даже у растений и у фотосинтезирующих микробов, которым они помогают предсказывать время суток, лучше всего подходящее для фотосинтеза. Они могут представлять собой очень древний светочувствительный «датчик», который развился у микробов миллиарды лет назад, чтобы синхронизировать жизнедеятельность клетки с суточными ритмами.