Подобно рачкам-бокоплавам, кряквы всегда летят в одном и том же направлении независимо от того, в каком месте их выпустили. Такая простая ориентация играет важную роль в жизни животных. Во время антарктической весны, когда земля тем не менее покрыта снегом, а море промерзло на глубину около метра, иногда можно увидеть маленькие черные пятнышки, медленно скользящие по льду. Приближаясь, они приобретают все более определенную форму. Это пингвины, которые возвращаются к местам своих гнездовий после зимней кормежки у кромки пакового льда. Каждый год пингвины группами возвращаются к традиционным местам своих гнездовий, причем каждый пингвин возвращается к тому гнезду, которое он занимал год назад. За время короткого лета, когда подрастают птенцы, взрослые птицы несколько раз совершают походы к морю за пищей для своего потомства, а позднее откочевывают туда на всю зиму.
Пингвины, по-видимому, должны обладать хорошо развитой способностью к ориентации и навигации, кроме того, их легче исследовать, чем крякв. Не имея крыльев, они лишь вперевалку бродят по снегу и льду со скоростью 6…8 км/ч. Их иссиня-черные спины хорошо выделяются на фоне ослепительно белого снега, а оставленные ими следы легко различимы. Все это делает их удобным объектом для исследования. Именно поэтому Дж. Эмлен и Р. Пенну посетили американские антарктические станции, где они могли ловить пингвинов на местах их гнездовий и затем выпускать их в бескрайних снежных просторах, не имеющих никаких особых примет. Каждый пингвин, которого выпускали в незнакомом месте, сначала оглядывался по сторонам, затем отправлялся в путь по снежной равнине. Его маршрут через определенные промежутки времени наносили на карту, пока он окончательно не исчезал за горизонтом. Когда было видно солнце, пингвин шел прямо, но если набегали облака, он сразу оказывался в большом затруднении и начинал бесцельно бродить в разных направлениях. Как только небо прояснялось, пингвин тотчас же возвращался к первоначальному курсу. В этих экспериментах было сделано очень важное наблюдение: все исследованные пингвины направлялись на север-северо-восток по отношению к линии, проведенной с севера на юг через место их гнездовья. (Следует напомнить, что вблизи Южного полюса направление на север-северо-восток изменяется по мере движения вокруг полюса, поскольку, куда бы ни направиться от Южного полюса, путь всегда будет идти прямо на север.) Пингвинов группами выпускали в пяти районах Антарктики, в том числе на Южном полюсе и среди паковых льдов за много километров от земли. Во всех случаях пингвины отправлялись в путь в одном и том же направлении, которое никогда не могло привести их домой.
Выбор такого, казалось бы, бессмысленного направления объясняется теми же причинами, которые заставляют находящихся в неволе перелетных птиц поворачиваться в ту сторону, куда они полетели бы, если бы их выпустили на свободу. Пингвины отправляются в путь в том же направлении, в котором они обычно совершают свои зимние походы к расположенному на севере морю. В Антарктике любое путешествие на север приводит к морю, поэтому направление, выбираемое пингвинами, вполне согласуется со здравым смыслом: не совсем понятно, почему пингвины передвигаются еще к востоку. Дело в том, что у берегов Антарктиды существуют морские течения, которые всегда направлены на запад. Принято считать, что пингвины во время своих путешествий отклоняются к востоку ровно настолько, насколько это необходимо, чтобы морские течения не унесли их за зиму слишком далеко от родных берегов.
Навигационные способности пингвинов проявляются не только в их умении находить путь к морю и обратно к своим колониям. Зимой в поисках пищи пингвины, по-видимому, заплывают далеко в открытое море. Для того чтобы весной проложить точный, а не приблизительный курс к своим гнездовьям, пингвины должны каким-то образом точно определить свое местоположение. Другие птицы, совершающие далекие путешествия, также должны обладать способностью сохранять правильный курс и делать поправки на ветер, если он относит их в сторону. Мелких птиц, например горихвосток и мухоловок-пеструшек, которые совершают перелеты из Скандинавии в Испанию и Португалию, встречный ветер иногда переносил через Северное море на восточное побережье Англии. Когда птицы снова отправлялись в полет, их путь прослеживали с помощью радиолокатора. Оказалось, что они улетали из Англии на юг-юго-восток (т. е. в том направлении, которое должно было привести их к первоначальной цели), а не следовали в прежнем направлении на юг-юго-запад, где они затерялись бы в просторах Атлантического океана.
Каким образом птицы определяют свое местоположение, можно только догадываться. Проблема расшифровки физиологических механизмов, эквивалентных компасу, секстанту и карте, кажется нам почти неразрешимой; однако, исходя из некоторых особенностей мозга и органов чувств птиц, можно теоретически представить себе некие механизмы ориентации. Можно ожидать, что любая основанная на хорошо установленных фактах теория, которая без каких-либо противоречий объясняет поведение птиц, в конце концов окажется правильной и со временем будут найдены соответствующие ей физиологические механизмы. Такой «обратный» способ выяснения истины довольно широко распространен в самых различных областях науки. Так, например, существование и местонахождение планеты Нептун было предсказано на основе наблюдений за планетой Уран, и уже позднее, когда с помощью телескопа в соответствующем участке неба обнаружилась новая планета, это предсказание подтвердилось. Теоретические рассуждения подсказали астрономам, где искать планету. Точно так же теоретические представления о физиологическом механизме, с помощью которого птицы определяют свое местонахождение, должны подсказать физиологам, что именно нужно искать в мозге и органах чувств птиц.
Теория, объясняющая навигационные способности птиц, была предложена проф. Мэттьюзом. Ее приняли не все орнитологи, да и сам Мэттьюз, без сомнения, внесет в нее соответствующие поправки, как только в его распоряжении окажутся новые факты. Тем не менее эта теория дает хорошее представление о чрезвычайно богатых возможностях зрения птиц и почти сверхъестественной способности их мозга обрабатывать зрительную информацию.
Фиг. 24
А. В полдень солнце всегда находится в наивысшей точке своего пути. Разница во времени наступления полудня в данном месте и в Гринвиче позволяет определить долготу данного места (в градусах) к востоку или к западу от гринвичского меридиана. Поскольку в окружности 360°, а Земля делает полный оборот за 24 ч, легко подсчитать, что 1 ч времени соответствует 360°:24=15°.
Б. Высота солнца над горизонтом в полдень зависит от широты местности. На экваторе солнце в полдень всегда стоит прямо над головой. Чтобы определить нужный курс, необходимо сравнить высоту солнца в полдень в данном месте с его полуденной высотой «дома», т. е в конечном пункте путешествия.
По мнению Мэттьюза, птицы во время миграций и при полетах в районе гнездовий используют для навигации приемы, во многом сходные с теми, которые применяют штурманы кораблей (фиг. 24). В любой части океана (если наблюдатель находится в северном полушарии) солнце в полдень всегда находится в самой высшей точке своего пути и точно на юге. Штурман определяет долготу места, где находится корабль, измеряя с помощью судового хронометра разницу во времени наступления полудня в этом месте и в каком-то другом, от которого принято вести отсчет; в качестве такого места выбран город Гринвич. Если эта разница составляет 12 ч, то, следовательно, корабль находится на другой стороне земного шара, точно напротив гринвичского меридиана. Кроме того, высота солнца в полдень показывает штурману, на каком расстоянии к северу или к югу от экватора находится его корабль. Если солнце стоит прямо над головой — корабль пересекает экватор. Затем по мере дальнейшего передвижения корабля угол между полуденным солнцем и горизонтом будет уменьшаться; при этом солнце будет «скатываться» к северу или к югу, в зависимости от того, в каком полушарии плывет корабль.
Предполагают, что перелетные птицы определяют географическое положение незнакомой им местности, оценивая разницу в величине угла между полуденным солнцем и горизонтом у себя «дома» и в том месте, над которым они пролетают. Чем севернее находятся птицы от своего «дома», тем меньше будет этот угол, чем южнее — тем больше (мы предполагаем, что птицы находятся в северном полушарии). Как корабельные штурманы, так и перелетные птицы часто не могут в полдень увидеть солнце из-за облаков, но они могут вычислить его полуденное положение на небосводе, проводя наблюдения в другое время и экстраполируя полученные результаты. Для этого нужно измерить небольшой участок дуги, которую описывает солнце при движении по небосклону, и затем вычислить остальную часть дуги, чтобы найти полуденное положение солнца.
