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 выяснили, 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.