Как законы физики помогают птицам перелетать через океаны и не падать при этом от усталости

Когда мы отправляемся в отпуск или рабочую поездку, мы тщательно планируем наш путь – от выбора самолета до времени прибытия в аэропорт. Перелет птиц в теплые края является куда более сложным процессом. Впервые ученые смогли отследить путешествия птиц в прошлом столетии – это стало возможно с развитием спутникового слежения. Сразу возник новый вопрос: что побуждает пернатых преодолевать такие большие расстояния?

Конечно, птицам необходим корм. Зимой в высоких широтах многие источники пищи становятся недоступны. Те виды, которые питаются семенами или насекомыми, вынуждены перелетать океан, чтобы попросту выжить. Другая важная потребность – размножение и сохранение численности всей популяции. Птицы вынуждены покидать те места, где хищники уже «приловчились» к охоте на беззащитных птенцов и их родителей. Они гнездятся в более теплых районах, чтобы после вернуться на родину с подросшими малышами.

Но как птицы совершают перелет и каждый год находят нужные пути? В середине 50-х годов XX века немецкий биолог Густав Камер предложил теорию «карты и компаса», которой научное сообщество пользуется до сих пор. Так, птица сначала определяет свое местоположение относительно места прибытия, а после начинает путешествие, ориентируясь по сторонам света. Исследователи из Ольденбургского университета в Германии в 2017 году выяснили, что птицы способны воспринимать магнитное поле Земли, используя его как навигационную карту.

Тогда как птицы перелетают океан? «Ощущать» магнитные поля и определять направление пернатым помогает тройничный нерв – от него информация поступает по глазничной ветви прямо в мозг. Птицы «считывают» данные окружающей среды сразу всеми рецепторами головы – глаз, клюва, неба и даже носовой полости. Это все подтвердило исследование, проведенное в 2017 году российскими учеными на Биологической станции «Рыбачий» ЗИН РАН. В ходе эксперимента было отловлено 49 тростниковых камышевок, которые направлялись в Западную Африку.

Участников опыта разделили на две группы: камышевок с пересеченными нервами и обычных птиц. Всех их поместили в клетки, создав новую магнитную реальность. Специальные приборы изменяли магнитное поле таким образом, чтобы пернатым казалось, что они находятся на тысячу километров восточнее, в Звенигороде. При этом остальные ориентиры при сезонном перелете птиц – звезды и запахи – остались прежними. Магия эксперимента заключалась в том, что даже взаперти камышевки демонстрировали свои «рефлексы» и стремились вылететь из клетки в нужном направлении.

Спустя некоторое время ученые заметили, что птицы с пересеченными нервами не почувствовали изменений и двигались в сторону северо-востока. А вот обычные камышевки теперь ориентировались по новым данным виртуального смещения – и летели на северо-запад. Но есть также и еще две карты, которые способствуют тому, что птицы перелетают через океан. Они также используют положение солнца днем и звезды ночью. Наличие звездного компаса было подтверждено американским ученым Стивеном Эмленом. Он создал специальные клетки, в которых установил проекцию ночного неба.

Птицы, которых Эмлен отловил во время осенней миграции, начинали испытывать миграционное беспокойство – они прыгали по стенам и громко хлопали крыльями. Все потому, что некоторые пернатые летят на юг именно ночью. В клетках птицы все равно пытались компенсировать свой сезонный перелет, несмотря на то, что в действительности они никуда не двигались. Как только ученый поменял «направление» неба на 180 градусов, участники опыта скорректировали и собственный вектор – и тоже на 180 градусов. При этом знать, какие именно это звезды, птицам необязательно – достаточно видеть десяток ярких точек, чтобы построить свой маршрут относительно них.

Помимо прочего, в перелете птицам помогают и ландшафтные ориентиры – реки, горные цепи и побережья. Подобная «сеть» прорабатывается годами, помогая избегать слишком сложных маршрутов и экономить энергию. Молодняк следует за более опытными особями и со временем даже корректирует навигацию для больших удобств. Часто птицы руководствуются также погодными условиями и направлениями ветров.

Важную роль в перелете птиц в теплые края играет обоняние. Несмотря на то, что обонятельных рецепторов у птиц намного меньше, чем у млекопитающих, они обладают специальными ресничками, усиливающих способность ощущать запахи в несколько раз. Согласно исследованию 2017 года, у некоторых птиц обоняние развито даже лучше, чем у людей. Пернатые чувствуют запах пищи на расстоянии до 20 км и нередко видоизменяют направление полета, чтобы пополнить жировые запасы. Или, например, молодые голуби запоминают, как пахнет родная голубятня, и возвращаются домой в короткие сроки.

Сезонные перелеты птиц могут быть поразительными. Например, рекордсменами среди пернатых являются полярные крачки, которые за раз преодолевают несколько тысяч километров и долетают от Арктики до Антарктиды. Как правило, большинство птиц летит на высоте до двух тысяч километров над уровнем моря, хотя есть и те, не кто предпочитает едва отрываться от земли. А вот уже известные нам камышевки прокладывают путь на расстоянии до шести тысяч километров, правда, только по ночам.

Вернемся к вопросу, как птицы перелетают океан, невзирая на усталость и голод. Сухопутные птицы, в отличие от водоплавающих, не могут садиться для отдыха на воду и потому вынуждены пересекать море без посадок. Поэтому среди наблюдателей за птицами долгое время бытовало убеждение, что они перелетают водные преграды лишь в узких местах, где расстояние от берега до берега не превышает и ста километров. Однако со временем орнитологи начали использовать небольшие GPS-маячки, которые показали, что на самом деле птицы пересекают большую воду далеко не в самых узких местах.

Долгое время исследователи не могли понять, как им хватает энергии на длительный перелет. Команда ученых из Института поведения животных Макса Планка (Германия) в своей работе использовали данные о маршрутах миграции нескольких видов птиц. Всего ученые проанализировали 112 пересечений моря, совершенных в течение девяти лет. Эти данные сопоставили с метеорологическими наблюдениями и картой воздушных потоков. Выяснилось, что птицы для перелета через море намеренно выбирают время и траекторию полета. Получается, что они не просто летят к цели по прямой в случайное время.

Оказалось, что огромную роль в процессе того, как птицы совершают перелеты, играет ветер и воздушные потоки. Во-первых, птицы стараются выбирать момент, когда дует попутный ветер. А во-вторых, они выбирают маршрут в зависимости от силы восходящих воздушных потоков. Чем сильнее температура моря превышает температуру воздуха, тем более мощные образуются потоки.

Выходит, что идущий вверх воздух как бы слегка приподнимает птиц и позволяет им меньше махать крыльями и парить без существенных затрат энергии. Многие птицы, которые пересекают океан, также умеют отдыхать прямо на лету. Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха выяснилиhttps://science.sciencemag.org/content/337/6102/1654https://science.sciencemag.org/content/337/6102/1654, что птицы могут бодрствовать продолжительное время, изредка погружаясь в кратковременный (до двух минут) или «однополушарный» сон. Это помогает, например, фрегатам находиться над морем около недели без необходимости сделать перерыв.