Дмитрий Кишкинев, сотрудник Школы биологических наук университета Квинс в Белфасте, рассказывает о том, почему навигация — это двухэтапный процесс, объясняет как птицы видят магнитное поле и умеют находить свой дом по запаху и рассуждает о том, как можно использовать это в современных технологиях.

Где учился:

1998–2003 — Ульяновский педагогический университет;

2003–2005 — магистратура биологического факультета СПбГУ;

2006–2011 — PhD в Ольденбургском университете;

2011–2012 — постдок в Ольденбургском университете (Neurosensory Sciences Group);

2012–2014 — постдок в Гуэльфском университете в Канаде, Школа интегративной биологии.

Сейчас работает в Школе биологических наук университета Квинс в Белфасте.

Oсобые приметы: интересуется макроэкономикой и финансами, торгует на американских фондовых рынках.

Nature’s Compass: The Mystery of Animal Navigat...

Nature’s Compass: The Mystery of Animal Navigation (Science Essentials) by James L. Gould and Carol Grant Gould

Я с детства увлекался природой и путешествиями и хотел стать либо археологом, либо биологом (чтобы непременно путешествия и экспедиции). В 1996 году, когда я учился в девятом классе, перед началом районной олимпиады по биологии увидел листовку одного экологического кружка из областного центра детско-юношеского туризма и экскурсий. После первого же посещения кружка и знакомства с его замечательными руководителями — Олегом Бородиным и Светланой Смирновой — понял, что это мне интересно. Олег и Света учили определять птиц в поле и вообще познавать природу своего края. Кроме того, они организовали областное отделение Союза охраны птиц России (СОПР), где студенты и школьники участвовали в разного рода природоохранных проектах.

Тогда, с середины 1990-х по начало 2000-х годов, в стране был расцвет разного рода экологических и природоохранных НКО. Как довольно активное отделение СОПР, мы ездили в экспедиции и участвовали в разных проектах. Например, собирали данные о ключевых орнитологических территориях, собирали информацию о численности и факторах риска для редких и малоизученных видов птиц (например, редкого орла-могильника и очень спорадически распространенной вертлявой камышовки) на территории Ульяновской области и сопредельных регионов. Кроме того, ежегодно участвовали во всероссийских конференциях СОПР в Москве, куда съезжались такие же энтузиасты, как и мы. Уже учась в вузе, я решил сконцентрироваться на научной деятельности — изучении разных аспектов миграции птиц. После первого семестра приехал из Ульяновска в Питер в гости к родственникам, пошел на кафедру зоологии позвоночных, где было в тот день заседание, и, отловив одного из преподавателей, выяснил, что есть такая биологическая станция «Рыбачий», лаборатория Зоологического института РАН (ЗИН РАН), и там изучают миграцию птиц. Эта станция, расположенная на Куршской косе в Калининградской области, — преемница легендарной (первой в мире) немецкой орнитологической станции Vogelwarte Rossitten.

Общаясь с сотрудниками станции во время прохождения летних практик и визитов с 1999-го по 2003-й, я понял, что хочу заниматься проблемой навигации и ориентации птиц. Далее была магистратура СПбГУ, незаконченная аспирантура ЗИН и степень PhD Ольденбургского университета в Германии. Потом постдоки в Германии, Канаде, а сейчас — в Северной Ирландии. Надеюсь, что в скором будущем мне удастся устроиться в один из западных университетов на постоянную позицию и собрать собственную исследовательскую группу.

C июня 2014 года работаю по очередному постдочному контракту в Королевском университете Белфаста. У меня довольно длительный полевой сезон — с апреля по октябрь. В этот сезон мой рабочий день строится вокруг исследовательских проектов. Работаю я на базе биологической станции «Ильмиц» в Австрии и упомянутой биологической станции «Рыбачий» в России. Часто это экспериментальная работа с дикими воробьиными птицами. Например, изучение того, как птицы используют магнитное поле Земли для навигации и позиционирования, или каким образом птицы воспринимают магнитное поле. Часто мне очень помогают студенты или волонтеры.

Птиц нужно поймать паутинными сетями, содержать в вольерах, кормить, проводить с ними эксперименты. Так как это часто ночные мигранты, то в начале ночи я делаю ориентационные тесты в так называемых клетках Эмлена (круглые арены, в которых птицы прыгают в миграционном направлении, на которое можно влиять, например, изменяя направление магнитного поля с помощью колец Гельмгольца). Днем после экспериментов я обрабатываю данные, отвечаю на мейлы, организую свой полевой быт. В зимний период я живу обычной офисной жизнью в университете Белфаста: пишу статьи, читаю лекции и веду семинары, пишу заявки на стипендии и гранты, готовлюсь к очередному полевому сезону.

Моя работа не строго экспедиционная и чаще проходит на базах разного рода исследовательских центров и научных станциях. Довольно долго мы с коллегами проводили эксперименты на Звенигородской биостанции МГУ. В 2006 году у нас был проект на юге Томской области, где мы жили и работали в заброшенном пионерском лагере (та еще была эпопея). Во время работы в Канаде у меня был эксперимент по перемещению мигрирующих птиц, пойманных на озере Эри на западе страны, в прериях провинции Саскачеван, где мы снимали фермерский домик. Кроме того, я немного помогал моему канадскому руководителю на малюсеньком острове Кент, расположенном в заливе Фанди, что на юго-восточном побережье Канады. Сейчас моя работа проходит на биостанциях близ Вены в Австрии и в Калининградской области в России.

Академический мир в нашей области довольно узок: около 100–200 исследователей с учеными степенями и несколько большее количество студентов. Конечно же, многие имена на слуху, если они активно работают и докладывают о своих результатах в научных публикациях, которые все читают и обсуждают. Со многими людьми я неоднократно пересекался в разных местах, где успел поработать. Ну и конечно, огромное количество людей встречаешь на научных конференциях. Кроме того, я стараюсь по мере возможности посещать разные лаборатории и давать семинары, где можно сообщить о последних научных результатах, поделиться опытом и воочию наблюдать, кто как работает и что делает.

Считается, что истинная навигация — это двухэтапный процесс, который сочетает две принципиальные системы: позиционирования и выбора направления. Мы называем это «концепцией карты и компаса». Сначала «карта» позволяет птице понять, где она находится относительно своей цели. Мы не можем заглянуть в голову птицы и понять, как именно видит это она. Сами мы можем легко вспомнить карту родного города и понять, где на ней наш дом и где примерно находимся мы. Если мы видим, что мы на юге, а дом на севере, то ясно, что нам надо двигаться на север. На этом этапе подключается второй механизм — «компас», способность поддерживать какое-либо направление. Для его работы птице не обязательно думать о том, сколько нужно лететь и где находится цель путешествия. Но она может переходить с одного алгоритма на другой: немного пролетела, остановилась проверить свое местоположение по карте, решила, нужно ли продолжать поддерживать то же направление или нет, полетела дальше.

Сейчас известно, что для поддержания направления животные используют солнечный, звездный и магнитный компасы. С астрономическими ориентирами — звездами и Солнцем — все относительно понятно. Дневные мигранты в основном используют солнечный компас. По-видимому, умение им пользоваться закладывается генетически: животному нужно всего лишь знать, что Солнце каждый час смещается примерно на 15 градусов. Допустим, утром на восходе птица выбрала направление на юг. Солнце взошло на востоке, то есть на 90º левее от нее. В течение дня Солнце будет перемещаться с востока на юго-восток, так что все, что требуется от птицы, — просто лететь и каждый час делать корректировку примерно на 15 градусов. В целом учиться тут особо нечему.

«Перед первой миграцией птица несколько ночей наблюдает за движением звезд, чтобы понять, вокруг какой звезды вращается небо»

Со звездным компасом все немного сложнее. Птице необходимо учиться им пользоваться, потому что картина звездного неба меняется. Еще 15 тысяч лет назад Полярная звезда не была центром его вращения, как сейчас. Нельзя заложить в геном правило «ищи одну яркую звезду и ориентируйся по ней». Можно заложить правило «учись находить центр вращения звезд». Каждое поколение, по-видимому, делает это заново: перед первой миграцией птица несколько ночей наблюдает за движением звезд, чтобы понять, вокруг какой звезды вращается небо. В Северном полушарии это Полярная звезда, в Южном полушарии центр будет где-то в районе Северного креста. Определив эту точку один раз, птица будет использовать ее как ориентир всю жизнь. С магнитным компасом все еще сложнее, несмотря на то, что магнитное поле Земли при жизни одной птицы остается примерно одинаковым. Учиться его использовать, по-видимому, не нужно, нужно просто уметь воспринимать его направление.

В лаборатории птиц держат в небольших круглых клетках, и в период миграции они начинают прыгать в ту сторону, куда хотели бы полететь. Мы анализируем направление этих прыжков, чтобы понять, при помощи каких ориентиров они его поддерживают. В ходе наших экспериментов мы можем перемещать птиц или, например, искусственно изменять направление поля, и птицы на это реагируют. Мы точно знаем, что они умеют использовать магнитное поле, но пока что мы не понимаем, где располагается ответственный за это орган чувств и как он работает. По-видимому, он связан со зрением, то есть птица может буквально увидеть магнитное поле. Мы предполагаем, что это полупрозрачное облако или тень, накладывающаяся на объекты в поле зрения птиц и перемещающаяся в зависимости от положения магнитной линии. Допустим, магнитная линия идет с севера на юг. Если птица смотрит строго на север или на юг, то облако располагается в центре поля зрения; если она смотрит в сторону, то и облако смещается в сторону.

Avian Navigation: Pigeon Homing as a Paradigm b...

Avian Navigation: Pigeon Homing as a Paradigm by Hans G. Wallraff

Как это происходит? Предполагается, что сигналы, посылаемые в мозг из сетчатки отдельными фоторецепторами (клетками, формирующими зрительную картину мира), усиливаются или ослабляются магнитным полем. Это происходит из-за того, что в фоторецепторах происходят химические реакции с участием магниточувствительного белка криптохрома. Продукты этих реакций зависят от направления магнитного поля относительно молекулы белка. Если мы вращаем вокруг нее магнитное поле, то меняются продукты реакции. Важно помнить, что фоторецепторы сидят в сетчатке перпендикулярно поверхности глазного яблока (представьте, как если бы в половинку баскетбольного мяча заколотили бы гвозди снаружи внутрь). То есть в разных частях сетчатки клетки с криптохромом направлены в разные стороны; соответственно, и продукты реакций будут разными. Они, в свою очередь, влияют на зрительное восприятие птиц — значит, в разных областях сетчатки изображение будет отличаться. Пока что не до конца ясно, как именно это работает, но с каждым годом накапливается все больше фактов в пользу этой гипотезы.

В изучении «карты» тоже наблюдается некоторый прогресс. Множество птиц способны возвращаться в очень небольшой регион, где они родились или размножались в предыдущие годы. Такая точность поражает: ведь многие из них перемещаются на тысячи километров, далеко не всегда придерживаясь одного и того же маршрута. Часто птицы ошибаются, их сносит ветром, на их путь влияют погодные условия — сейчас мы знаем это наверняка, имея технологии, позволяющие записывать траекторию их движения (миниатюрные трекеры, радиопередатчики и так далее). Но, несмотря на это, птицы способны выходить на очень точную цель. Несомненно, они помнят какие-то визуальные ландшафтные ориентиры в непосредственной близости от нее. Но на больших расстояниях должны работать навигационные системы, способные вывести птицу к цели из совершенно незнакомого региона. Проведено много экспериментов, в ходе которых птиц удаляли от маршрута следования (на самолете, например) на сотни и тысячи километров, но даже после этого они были способны компенсировать смещение и найти цель. Вопрос в том, какие органы чувств для этого используются.

Разные группы птиц, по-видимому, используют разные стратегии. Морские пелагические птицы, всю жизнь живущие в открытом океане (буревестники, альбатросы, качурки), используют свое чрезвычайно развитое обоняние. Оно позволяет им находить скопления пищевых объектов на поверхности океана с расстояния в несколько километров, порой даже десятков километров. Это поведение более-менее объясняется тем, что оказавшаяся вниз по ветру птица улавливает запах от источника пищи и следует вдоль шлейфа запаха, пока не выйдет на цель. Но есть данные, показывающие, что птица при помощи обоняния может выходить на нее после смещения на тысячи километров. К примеру, буревестники находят свою колонию на Азорских островах после перемещения к Португалии на 800 километров. Объяснить это шлейфом запахов, который несется ветром с Азорских островов в Португалию, довольно сложно. Сейчас идут споры о том, каким образом функционирует эта ольфакторная (запаховая) навигация.

Еще интереснее навигация у континентальных видов. Большинство воробьиных птиц, которых вы видите в садах и парках, перемещаются в основном над континентом и лишь изредка пересекают какие-то внутренние моря. Наши исследования с российскими коллегами указывают на то, что у этих птиц важна не обонятельная система, а магнитное чувство, но отличное от упомянутого выше рецептора в сетчатке. По-видимому, этот магниточувствительный рецептор работает совершенно иначе и располагается где-то в передней части головы, в области надклювья. До сих пор неясно, где именно он находится и как работает. Наверняка мы знаем только то, что, если во время миграции перевезти птицу на тысячу километров и при этом хирургическим путем инактивировать этот «клювный орган», птица не сможет компенсировать смещение. Она не поймет, что оказалась на новом месте, и будет поддерживать то же направление, что и на месте отлова («компас» у птицы продолжает работать, так что она способна поддерживать направление). Птица, у которой орган работает нормально, делает компенсацию: она понимает, где оказалась и куда нужно лететь, чтобы выйти на нужную ей цель из новой точки. Сейчас мы пытаемся найти рецептор, понять, как он устроен и какие компоненты магнитного поля Земли он воспринимает, — оно может быть использовано по-разному.

Вот основные вещи, которые были сделаны за последние пару десятков лет в этой области. Пока вопросов больше, чем ответов, но постепенно мы приближаемся к пониманию того, как функционирует навигационная система у птиц. На сегодняшний день мы знаем следующее: она очень сложно и гибко устроена. В различных ситуациях птицы используют разные стратегии: на ближайших расстояниях они просто узнают зрительные ориентиры, на дальних расстояниях океанические птицы чаще используют запаховую систему, а континентальные — магнитную. Механизм работы и той и другой до конца нам не ясен.

«XXI век — это век познания мозга и механизмов поведения, включая пространственное поведение»

Ученые не всегда задаются вопросом, какое практическое применение может быть у проводимых ими исследований. Изначально ими движет страсть к неизвестному и желание понять, как что-то устроено. Но затем всегда находятся люди, находящие практическое применение полученным данным. Одно из возможных направлений — обучение роботов алгоритмам пространственного поведения животных, в частности птиц. Пока что мы полагаемся на уже развернутую инфраструктуру наших спутниковых систем, будь то GPS, ГЛОНАСС или что-либо еще. Конечно, проще всего поместить на робота навигатор, постоянно принимающий спутниковый сигнал и точно определяющий его местоположение. Но что случится, если сигнал плохой, если он вдруг пропал, если узел связи вышел из строя? Или если робот перемещается в тех областях, где сигнал вообще не ловит — например, в густой растительности, в пещерах, в зданиях. Было бы неплохо научить их базовым алгоритмам навигации, уже отточенным на птицах эволюцией.

Еще один важный момент — понимание того, как ограничена точность животных. Это знание важно с эволюционной точки зрения: расселение видов часто может происходить, когда птицы сбиваются с пути и оказываются в новом месте. Если их навигационные системы дают сбой, было бы полезно узнать, какой величины сбой это может быть. Это позволит лучше понимать, как происходит расширение ареала. Уже известно, что ареалы видов дальних мигрантов расширяются медленнее, чем у ближних мигрантов. На основе этого можно предположить, что навигационные алгоритмы дальних мигрантов гораздо более точны. Это жизненно важно для них, но играет с ними злую шутку: из-за своей точности они совершают гораздо меньше ошибок и при этом намного хуже адаптируются к условиям климата, поэтому им сложнее расширить свой ареал. Птицам, перемещающимся на меньшие расстояния, такая точность не нужна, а давление отбора на них гораздо меньше. Ошибки в навигации позволяют им быстрее оказываться в новых местах и оставаться там жить, расширяя ареал.

Хотелось бы за свою жизнь приблизиться к пониманию того, как магнитное поле Земли и запахи используются птицами для дальней навигации. Хочется уже найти конкретные магниторецепторы у птиц или иных животных и понять, как они работают. Кроме того, я считаю, что XXI век — это век познания мозга и механизмов поведения, включая пространственное поведение. Очень хотелось бы понять, как пространственные нейроны мозга (клетки места, клетки решетки, клетки направления головы и так далее) работают в команде и позволяют нам находить дорогу в пространстве. Ну и еще есть большой вопрос о том, как гены определяют поведение: в частности, как гены определяют направление и длительность миграции молодых птиц. Ведь уже доказано, что первую миграцию молодые птицы делают самостоятельно чисто по генетической программе, летя в определенном направлении заданное время. Если понять, как работает цепочка «гены — поведение», мы сможем приблизиться к пониманию того, как гены влияют на наш фенотип и как этим можно манипулировать.

Российской орнитологии не хватает ровно того же, что и всей российской науке. Если кратко — нужно увеличить базовое и грантовое финансирование (Российский фонд фундаментальных исследований выделяет слишком мизерные гранты; появление Российского фонда науки приветствую, но количество грантов слишком мало, и есть вопросы к экспертизе), уменьшить ненужную отчетность. Нужна большая интеграция в мировую науку за счет публикаций в англоязычных журналах, повышения мобильности россиян и привлечения иностранных студентов, аспирантов, постдоков, профессоров.

Вопрос, как животные находят дорогу домой, всегда был определенной загадкой и до некоторой степени остается таковой и сейчас. Многие перемещаются на расстояния от одной длины тела до миллионов длин тел. Обычно мы оперируем именно масштабами относительно размеров тела животного: например, для муравья путь в несколько сотен метров представляет серьезную задачу. Птицы могут возвращаться домой после 10 тысяч километров миграции — в масштабах их тел это просто грандиозное путешествие. Исторически сложилось так, что навигация у птиц изучена лучше всего. Сейчас я занимаюсь именно этим предметом, хотя у меня есть интерес к другим животным — мигрирующим насекомым, летучим мышам.

Помимо работы я живу своими близкими и любимыми. Стараюсь проводить как можно больше времени со своей девушкой. Кроме того, несколько раз в неделю хожу в тренажерный зал потягать железяки и попотеть на кардиотренажерах. Люблю посещать новые места, путешествовать. Люблю читать разную хорошую публицистику и аналитику. На художественную литературу, к сожалению, остается мало времени, но если есть возможность, особенно в долгой дороге, то жадно проглатываю книги. Люблю хорошее кино и сериалы. Люблю искать и находить новые музыкальные группы. Ходить на концерты в небольшие клубы. Веду блог в ЖЖ. Уже больше десяти лет увлекаюсь финансовыми рынками и сам торгую на американском фондовом рынке.

В школьные и студенческие годы был страстным бердвотчером (birdwatcher) и вел списки увиденных за всю жизнь и за конкретный год видов. Потом подостыл к этому. Не могу сказать, что есть мечта увидеть некий конкретный вид. Скорее, хочу посетить и увидеть интересные регионы. В топ-списке, наверное, бразильская Амазония, Колумбия (максимальная плотность видов на квадратный километр), Австралия, Новая Каледония и некоторые океанические острова с видами-эндемиками. Очень хотел бы завести большого попугая типа ара или жако, но с моим подвижным образом жизни это пока сложно сделать. В детстве держал волнистых попугайчиков.