Живые часы - Ритчи Уорд

Приняв за точку отсчета резкий подъем активности, де Курси рассчитала среднюю величину периода свободнотекущего ритма в темноте и таким образом измерила скорость и направление сдвига фазы. Расчеты, проведенные по 48 опытам на 18 животных, выдерживаемых в условиях темноты от 10 до 123 дней, показали, что период активности варьирует от 22 часов 58 минут до 24 часов 21 минуты. Несмотря на индивидуальные различия, цикл каждого животного, после того как он становился свободнотекущим, оставался постоянным с точностью до нескольких минут.

«Таким образом, основными особенностями ритмов активности в темноте, — писала она, — по-видимому, являются: а) их устойчивость и эндогенная природа; б) стабильность частоты для одной особи в течение исследуемого периода; в) ограничение величины периода свободнотекущего ритма узкими пределами (обычно период немного меньше 24 часов, что и приводит к сдвигу фазы активности); г) очень высокая точность сохранения ритма у одной особи».

Оценивая значимость внешних факторов для установления ритмов активности летяг, де Курси предположила, что наибольшее влияние должен оказывать свет. Ведь именно с освещенностью связана циклическая активность почти всех животных независимо от того, являются ли они дневными, ночными или сумеречными (активными при слабом освещении — на рассвете или перед наступлением ночи). Но исследовательница не исключала возможного влияния температуры и звука и собиралась позднее провести эксперименты с использованием и этих факторов.

Какие эксперименты более четко выявят влияние освещения на активность животных? А что, если поместить животных в условия постоянства внешней среды вроде тех, которые она использовала для измерения периода свободнотекущих ритмов, а потом подвергнуть их действию чередующихся периодов света и темноты? Обнаружив в ритме активности изменения, можно завершить эксперимент возвращением животных в условия постоянства среды, чтобы проверить, не будет ли восстановлен исходный свободнотекущий ритм.

Де Курси проделала это в 30 различных опытах с летягами, у которых, по ее наблюдениям, периоды свобод-нотекущих ритмов были и меньше и больше 24 часов. Обычно она помещала летягу (с периодом свободнотекущего ритма меньше 24 часов) на несколько дней в условия постоянной темноты. Как она и ожидала, начало активности этой летяги все время сдвигалось вперед, то есть ее часы спешили. Потом она воздействовала на животное 24-часовым циклом свет — темнота (СТ 12:12), по фазе не совпадавшим с периодом его свободнотекущего ритма[13]. Теперь начало активности сдвигалось назад (то есть опаздывало), пока не достигало постоянного значения, сохранявшегося на все время такого чередования света и темноты. Завершая эксперимент, де Курси возвращала летягу в условия постоянной темноты, и тогда начало активности опять сдвигалось вперед.

В последующих экспериментах она использовала животных с периодом свободнотекущего ритма больше 24 часов. Результаты этих экспериментов в точности совпадали с полученными ранее и, таким образом, еще раз подтвердили, что для Glaucomys свет является сильным агентом, смещающим фазу ритма.

И все же эти опыты не объясняли действия света. Тогда де Курси перешла ко второй серии экспериментов, в которых использовала кратковременные вспышки света, своего рода метод «светового шока».

Животное держали в условиях постоянной темноты в течение нескольких недель, чтобы измерить период его свободнотекущего ритма в устойчивом состоянии.

Период свободнотекущего ритма у этого животного был меньше 24 часов, и потому начало активности летяги сдвигалось, опережая показания часов. Де Курси продолжила эксперимент, чтобы иметь возможность провести прямую через точки, соответствующие времени начала активности[14]. По направлению изменения ритма можно было рассчитать предполагаемое время начала активности летяги на следующий день.

Итак, установив скорость опережения в этом свободнотекущем ритме, де Курси в определенный момент и только один раз в сутки включала свет (5 люксов на 10 минут). Различие между ожидаемым и действительным временем начала активности и показывало сдвиг фазы, возникший в результате такого кратковременного освещения.

Оказалось, что единичные вспышки света сдвигают начало активности летяги, только когда они даются в определенный период собственного цикла животного. В остальное время они не приводят к сдвигу фазы. Так или иначе, сдвиг фазы, следующий за световой вспышкой, зависел от того, на какое время суток она приходилась с точки зрения летяги.

Возьмем, например, летягу, у которой собственные свободнотекущие часы отмеряют 23-часовые сутки. Эта летяга ежедневно будет опережать истинное время на час. Сумерки для нее будут наступать через каждые 23 часа; ночь будет длиться около 10 часов, день — примерно 13. Мы можем рассматривать этот 10-часовой период как субъективную ночь летяги и 13-часовой период как ее субъективный день. Де Курси включала свет несколько раз в течение субъективной ночи и субъективного дня летяги, пытаясь обнаружить возможные различия в ее реакции. Свет вызывал максимальный эффект, если он действовал во время, соответствовавшее по свободно-текущим часам животного приближению сумерек[15]. Световой сигнал просто подавлял сигнал внутренних часов. Летяга как бы говорила себе: «Нет, сумерки еще не наступили. Лучше посижу тихо».

Если свет включали во время полной активности летяги, то есть во время ее субъективной ночи, действие вспышки проявлялось значительно меньше, если же — в течение субъективного дня животного, когда летяга находилась в неактивном состоянии, она на него вообще не реагировала.

Так эксперименты де Курси с кратковременными вспышками света помогли ей понять механизм, с помощью которого живущие на воле летяги синхронизируют свою двигательную активность со временем суток. Эта синхронизация, по-видимому, происходит в результате ряда сдвигов фазы, а сам процесс находится под контролем ритма чувствительности к свету.

После этого де Курси провела несколько экспериментов для выяснения влияния температуры и звука. Но ни резкие изменения температуры, ни звуковые сигналы не влияли на поведение летяг.

«В заключение можно отметить, что активность Glaucomys в естественных условиях совпадает с периодом темноты и что это соответствие сохраняется в течение всего года, по-видимому, благодаря взаимодействию эндогенного ритма активности с ритмом чувствительности к свету. В отношении воздействия температуры или звука подобных явлений не отмечается».

12. Навигационные способности птиц

Открытие способности птиц ориентироваться по солнцу изумило ученых, но то, что во время ночных пролетов птицы ориентируются по звездам, буквально потрясло их. Это было доказано через несколько лет после открытия Крамера молодыми исследователями из Фрейбургского университета (ФРГ) Францем Зауэром и его женой Элеонорой.

Вскоре после защиты в 1953 году диссертации по зоологии Франц Зауэр заинтересовался проблемами поведения животных, особенно тем, как влияют на их поведение условия окружающей среды. И он продолжает во Фрейбурге работу над второй диссертацией, специализируясь на этот раз в области этологии. Одной из первых проблем, решению которой они с женой отдали много сил и терпения, была проблема общения в мире животных, и в частности проблема обучения пению молодых птиц.

В начале 50-х годов мнения ученых по этому вопросу расходились. Многие считали, что птицы обучаются пению, подражая старшим и более опытным сородичам. Рабочая гипотеза Зауэров сводилась к тому, что птицам не нужно учиться петь, что поют они благодаря врожденной способности, которая не зависит от того, есть ли вокруг них хорошие певцы или нет.

Проверить эту гипотезу Зауэры решили на европейских славках с их очень характерной песней. В соответствии с требованиями эксперимента им приходилось выращивать своих славок в условиях полной изоляции, в звуконепроницаемом помещении, так чтобы в течение всей своей жизни их питомцы не слышали ни одной птичьей песни.

Как будут вести себя эти изолированные от мира птицы, когда они вырастут и будут готовы обзавестись семьей? Запоет ли взрослый самец свою песню, которая объявит всем, что он занял определенную территорию и готов создать семью? И запоет ли он вообще?

Результатов своего эксперимента Зауэрам пришлось ждать долго. Наконец, в один прекрасный день исследователи возликовали — их тяжкие труды не пропали даром. Птица запела!

Она пела, хотя никогда за всю свою жизнь не слышала пения. Потом запел еще один выращенный в полной изоляции самец, потом другой, третий. Хотя это пение и нельзя было назвать совершенным, но в нем ясно проступала мелодия, которую славки обычно поют в это время года. Итак, гипотеза была подтверждена экспериментом.