Эскимо из зяблика → разбираем птицу

• Что происходит
• Как он вообще попался? 
• Что птица делала так низко?
• А как этот зяблик тогда пересекает Сахару и моря?
• Зачем птицу вообще кольцуют?
• А можно же следить за птицей по-другому?
• Как птица знает, куда ей лететь?
• А как мы узнали, что это вообще работает так?
• Почему такие прыжки считают направлением полёта?
• Как птица понимает, что ей уже пора
• И что случается, когда птице пора?
• И что, птица топит вперёд по прямой?
• Как доказали, что птица возвращается домой так близко?
• Миграция выполняется непрерывно?
• Раз изучается эндокринная регуляция, значит, у птиц берут кровь?
• А что ещё изучается на станции?
• Для чего всё это делается?
• Как это всё посмотреть самому?

3 января 2022

Знакомьтесь, это зяблик получает паспорт. Прямо сейчас птиц засунут в конус для взвешивания, ему там темно и спокойно. Для паспорта это не очень важно, но мы уже знаем, что наш зяблик вообще-то довольно тупой. Ладно, либо глупый, либо невнимательный, либо очень целеустремлённый. Потому что он залетел в створ ловушки из рыболовных сетей, а затем без сомнений пролетел её до конца, до сужения и накопителя. До конца этот квест выполняет примерно треть птиц, подлетающих к ловушке. А дальше, в накопителе, его и выхватил из воздуха одним движением опытный орнитолог.

Узнав длину крыла и массу зяблика, а заодно раздув ему пух на животе для проверки количества жира (он просвечивает через кожу), можно установить запас его хода. У нашего почти 2 грамма. Это не очень много, но каждый килограмм жира даёт около 8 тысяч килокалорий, то есть у нашего героя массой 21,4 грамма есть топлива на примерно 450 километров. Это для птицы критично, потому что лететь далеко, и дальше это прямо повлияет на принятие зябликом решения о продолжении миграции.

Так. В общем, добро пожаловать на старейшую в мире орнитологическую станцию в Калининградской области. Пошли смотреть газоанализатор для внутреннего мира воробьиных и человека с уткой на голове. И вот эти огромные ловушки с фотографии выше.

Что происходит

Зяблик метится кольцом. Он попался хитрым орнитологам полевого стационара «Фрингилла» биологической станции «Рыбачий» в Калининградской области на Куршской косе на Земле. Вся эволюция привела к тому, что, с одной стороны, сформировался зяблик, который залетел в ловушку, а с другой — появился орнитолог, который хочет записать его массу, пол, оценить количество жира, измерить длину крыла и вручить ему алюминиевое кольцо с номером. Либо радиопередатчик, либо спутниковый передатчик. Но прямо сейчас только кольцо.

Как он вообще попался? 

Наш герой — перелётная птица. Собственно, он залетел в огромный сачок из рыболовных сетей во время своего перелёта. Вот такой:

Сам сачок он, скорее всего, принял за хитро сформировавшуюся растительность, что-то типа странной рощи со смыкающимися кронами. И попытался вылететь, двигаясь вперёд. Во время миграции птицы вообще чаще топят +W в направлении цели.

А Куршская коса расположена ровно по направлению миграции. Ловушка работает как рыболовная сеть, выхватывающая из потока птиц всех тех, кто статистически влетает в створ 35×15 метров.

Что птица делала так низко?

Во время перелёта нашему герою очень важно двигаться там, где можно легко спрятаться от воздушного хищника. Поэтому он рассчитывает, что, если вдруг что, он сможет юркнуть в лес или хотя бы в кустарник. Именно поэтому он летит низко (иначе смысла юркать не будет), и именно поэтому он летит над сушей, а не над водой. Над водой — опаснее всего, там прятаться негде, разве что можно сесть на воду, но это тоже так себе план для сухопутной птицы. В итоге зяблик летел над косой. Поскольку с двух сторон от косы вода, а сама коса довольно узкая, получается такое бутылочное горлышко, сужающее трансферный поток птиц. И вот в самом плотном месте и стоит ловушка, которая позволяет изучать часть этого потока. Более того, сама коса ещё и не однородная, а состоит из песка и растительности, и птицам больше нравится идея лететь над листвой. Там есть, куда юркать.

А как этот зяблик тогда пересекает Сахару и моря?

С трудом. На его пути миграции есть место, где нужно лететь 40-48 часов без остановки. Возможно, логичнее было бы облетать такие сложные участки по длинной траектории, но для этого пришлось бы очень сильно усложнить навигационный блок, увеличить мозг, потребление и добавить ещё кучу всего, что довольно сложно сделать на платформе массой 21,4 грамма.

Ворону вот проапгрейдили. Вороны в ловушку никогда не залетают (точнее, вовремя разворачиваются, если вдруг что), они слишком умные для таких простых разводок. Но ворона куда как тяжелее.

Правильное удержание птицы: перевернуть вверх ногами, чтобы вызвать системную ошибку (птица так в жизни обычно никогда не делает) и удерживать голову между пальцев. Если сейчас раздуть пух на пузе, будет видно количество жира прямо через кожу. И это уже не зяблик, а зарянка. Кто это по полу, мы не знаем, потому что у зарянок половой диморфизм на глаз приматами не воспринимается

Зачем птицу вообще кольцуют?

Потому что это способ исследования миграции птиц. Окольцевали сотню, затем получили данные о том, где нашлась одна. Если не считать зяблика по кличке Выброс, который 6 лет подряд упорно вил гнездо в самой ловушке (в широкой части) и стабильно попадался 53 чёртовых раза, остальные — это в чистом виде накопление Big Data. Птиц много, позиции псевдослучайные по маршрутам. С 56-го года накоплено около 4 миллионов окольцованных, соответственно, около 10 тысяч со второй координатой. На бигдату пока не тянет, но этого уже достаточно, чтобы делать много разных выводов.

Отныне зяблик будет с этим кольцом, пока смерть не разлучит их. Масса выбирается так, чтобы не особо мешать птице

Вот кольцо ещё раз

Вот эти жёлтые точки говорят нам, что зарянка этого года, то есть это джун

Для разных птиц разные кольца

А можно же следить за птицей по-другому?

Да, можно дать ей передатчик. Самый лёгкий бипер 0,7 грамма (кастомные бывают 0,2 грамма, а самый маленький фабричный из неиспользуемых на станции — сейчас 0,25 грамма), радиус поиска стационарной направленной антенной 4-5 километров в воздухе. Более лёгкие дают только 2 километра максимум. Для птиц побольше есть до 20 километров, а для самых здоровых хищников типа аистов (хотя формально они не хищники, но способны при случае схарчить зайца), есть спутниковые передатчики. Которые и позволили обнаружить одну офигенную вещь, про то, что птицы умеют срезать углы во время миграции. Но про это чуть позже. Если же вам интересно, наиболее известен в Рунете случай Санька, который отлично провёл свою миграцию, залетев за рыбой в Астраханский заповедник (вот мой пост про эту трансферную точку, кстати), поев на Евфрате, а потом остановился на берегах Нила.

В посёлке Рыбачий

На Куршской косе две такие следящие станции с антеннами, одна на полевом стационаре Фрингилла, на 23-м километре Куршской косы, вторая на территории биостанции «Рыбачий», на 34-м километре косы. То есть между ними 11 километров.

Сектора смотрят в стороны от вышки, создавая на косе, фактически, две линии (точнее, конусы диаграммы направленности), при пересечении которых можно отследить птицу. Это для тех самых лёгких биперов.

Как птица знает, куда ей лететь?

Очень коротко и грубо ситуация кажется такой: когда птица рождается, она записывает координаты своего дома. Речь про параметры магнитного поля, например. Дальше у неё есть два прибора для магнитной навигации: один в клюве, а второй подсоединён к глазу и врубается в тройничный нерв. Про оба мы почти нифига не знаем, например, металл в клюве, на который все думали, вообще оказался скоплением макрофагов, которые его жрут, а не датчиком. Но что-то примешивается в визуальный сигнал, и что-то ещё идёт в мозг. Как это видит птица, непонятно, но вот выбирайте, что вам больше нравится:

Или вот так. Никто не знает, как она видит:

А как мы узнали, что это вообще работает так?

Взяли птицу, положили в аналог клетки Фарадея (точнее, в систему магнитных колец), отнесли в другое место и посмотрели, куда она полетела. Повторили несколько сотен раз с контрольной группой. Потом взяли птицу, положили в прибор, который позволяет эмулировать различное магнитное поле (из другой точки Земли), что-то вроде fakeGPS и поставили на тарелку с мелом. Куда птица чаще прыгает — то и считают направлением её полёта.

Вот так делают эти конусы, обмазывая мелом:

А вот после такой тропинки вдали от всех источников излучения уже находятся подопытные птицы:

«В наших экспериментах, мы в основном изучаем магнитную рецепцию. И для этого мы используем магнитные кольца, с помощью которых мы можем менять разные параметры магнитного поля. Мы можем поворачивать стрелку магнитного компаса на определённый градус. Мы можем симулировать магнитное поле в любой точке на Земле. Таким образом, мы можем, как бы виртуально перенести животное из этой точки в другую точку, меняя только магнитное поле. Для нас, биологов, существует два типа колец. Одна система — кольца Гельмгольца, другая система Мерритта. Они отличаются по большей части количеством колец в каждой оси. То есть в системе Гельмгольца это два кольца в оси, x, y и z. А в системе Мерритта их четыре. Чем больше колец, тем стабильнее и больше объём пространства, которым создаётся гомогенное магнитное поле. Если взять, например, кольцо Гельмгольца и кольцо Мерритта одинакового диаметра, два метра, то внутри колец Мерритта объём гомогенного магнитного поля будет метр на метр, то есть такой куб. А у колец Гельмгольца он будет 60×60×60 сантиметров» — Александр Пахомов.

Почему такие прыжки считают направлением полёта?

Это долгая история, но на станции ведутся исследования и про локомоторную активность птиц во время миграции. Чтобы рассказать про это, придётся сделать ещё одно лирическое отступление про то, как вообще птица понимает, что ей уже ПОРА.

Как птица понимает, что ей уже пора

Птица один раз рождается, а потом живёт в цикле из еды, размножения и миграции.

«Птицы размножаются в определённый период, птицы линяют в определённый период, птицы миграцию совершают в определённый период. И у них стадии жизненного цикла сменяются друг за другом. Если вы возьмёте птицу, посадите её в клетку, создадите ей условия, например, тропические, экватора: двенадцать часов света, двенадцать часов темноты. И будете её год, два, три, четыре держать в таких условиях, вы увидите, птица будет всё равно проходить через все эти стадии жизненного цикла. Если вы будете, например, измерять размер их гонад, вы увидите, что в субъективную птичью весну, гонады увеличатся. То есть она будет готова к размножению. После того, как размножение не случится, гонады уменьшатся, а потом наступит линька, то есть птица всё равно перелиняет, несмотря на то, что никакой фотопериод это не запустил. Это реализация эндогенных программ, то есть это чистая генетика. Но в естественных условиях, когда мы наблюдаем чередование свето-темнового цикла, происходит подстройка этого внутреннего ритма к естественному изменению фотопериода, наблюдаемому при смене сезонов года. В отсутствии изменения фотопериода всё равно программы будут реализовываться. Другое дело, что они будут происходить с довольно существенной ошибкой, с опережением.» — Андрей Мухин

То есть, по сути, птица прописана по таймингам, и если они наступают, то меняется и её стадия жизненного цикла. Но поскольку ей нужно подстраиваться под текущие обстоятельства, она способна сжимать эти процедуры. Арсений Цвей, сотрудник станции, изучает эти вещи. Вот тут список его работ, если интересно. Наиболее важно то, что он приблизился к пониманию того, как работает эндокринная регуляция и что её запускает. Пока главная вещь — птица ориентируется не на температуру и сотни других сложных факторов, а берёт самую простую глобальную переменную — ту самую длительность фотопериода, то есть длину дня.

И что случается, когда птице пора?

Когда нужно начать мигрировать, появляется вот та самая стрелка в поле зрения (я утрирую, возможно, это полосы в нежелательном направлении или уменьшение резкости зрения в ненужном направлении и т.п.) — в общем, появляется указатель на то место, куда птице надо. До этого по таймингам она обросла правильными перьями, запасла жир — и теперь эндокринная система подкинула ей гормонов, которые просто не оставляют сомнений, что НАДО БЫСТРЕЕ, а лететь надо ТУДА. Поэтому, даже когда птица посажена в клетку, она будет стараться в этой клетке прыгать (проявлять свою локомоторную активность) в заданном ей генетической программой направлении. Это стереотипные локомоторные акты. Если начать ей давать есть, прошивка птицы решит, что она прилетела в богатый кормом район (то есть если давать ей много еды), и количество таких прыжков резко пойдет на убыль, и птица перейдёт к шагу набора массы. Потом, «заправишись», она снова начнёт стремиться дальше к цели путешествия, то есть снова начнет активно прыгать в клетке.

Самые жирные птицы вылетают первыми, накопившие меньше жира — по возможности оттягивают вылет, чтобы успеть запастись топливом.

«Анализ стартов, проведенный на птицах с разным запасом жира показал, что птицы с большим количество жира вылетали раньше, так как могли на своих запасах лететь большее количествово ночных часов, в то время как более тощие — меньшее. При этом, как и тощие, так и жирные „планируют“ посадку примерно в одно и то же время — в предутренних сумерках»

И что, птица топит вперёд по прямой?

Нет.

Молодая птица идёт довольно сложным маршрутом, отдалённо похожим на то, как движется самолёт по радиоприводам, то есть от ориентира к ориентиру. На следующий год птица начинает «срезать углы», то есть понимает, как именно может сэкономить время и силы, кое-где пролетев покороче.

Если по дороге попадается препятствие (пустыня или вода), птица старается облететь его по краю. Если по краю слишком далеко — старается пройти напрямую, как Сахару.

Возвращаются птицы ровно в то место, где родились, обычно гнездятся не очень далеко от своего дома (анализ по распределению гнёзд впервые загнездившихся птиц). Не очень далеко — это может быть 20 метров, 50 метров, 200 метров и т.п. Скорее всего, достаточно доставить птицу в радиус от 50 до 300 километров от дома, дальше она сориентируется когнитивно. Численно доказано, что птицы стремятся гнездиться у места своего рождения.

Расширение ареала вида делается за счёт молодых птиц: подростки более склонны к изменениям, и могут забираться туда, куда взрослые по трезвяку не полетели бы. Например, на станции несколько лет назад поймали средиземноморскую славку (южная птица, обычна во Франции), а белый аист сейчас уже гнездится в Ленинградской области. Это вид, который движется чётко на север, северо-восток, расширяя свой ареал. Было минимум 4 случая залёта фламинго. Правда, фламинго в Калининграде вряд ли выжили.

А вот принципы навигации птиц в дороге — это та ещё загадка. Скорее всего, тут много факторов: и магнитные органы, и следование за другими птицами, и обучение от старших через ориентиры и так далее. Даже элементарно можно ориентироваться на поток: многие птицы отправляют пакеты «я здесь», просто время от времени вскрикивая, что даёт понимание, что они где-то там, и что там безопасно лететь. Это, например, дрозды. А вот ночные мигранты, вроде тех же зарянок, летают не косяком, а поодиночке. Доказано, что птицы изучают положение Полярной звезды или других звёзд. Возможно, они используют и другие принципы, которые мы активно применяем для доставки ядерных боезарядов по всей планете — начинали мы тоже с навигации по звёздам (хорошо описано в книге у Чертока), а заканчиваем инерционкой в комплексе с другими параметрами.

Сейчас считается, что птицы преимущественно используют магнитную навигацию для дальних дистанций, плюс запоминают путь, плюс ориентируются на других птиц, плюс знают регионы остановок, дома и цели. Точнее, для ориентации использование магнитной информации подтверждается многочисленными фактами, использование же магнитного поля Земли для навигации — лишь одна из нескольких гипотез, не получившая пока однозначного подтверждения.

Те же альбатросы, например, находят родные острова на последнем участке по запаху, который ветра разносят на 300-400 километров. Кстати, угадайте, по запаху чего именно. В общем, там достаточно сложная модель кучи входных данных, в которой досконально никто пока не разобрался.

Как доказали, что птица возвращается домой так близко?

Численно. Прошли пару раз по лесу и окольцевали всех птенцов, записывая координаты гнёзд. Дальше, из известных общих данных 75% этих птиц погибли к следующему сезону где-то далеко (природа сурова). Итоговый практический процент возврата составляет обычно 7-13%. И вот распределение этих выживших и вернувшихся, а среди них учтенных птиц, позволяет показать, что гнезда птиц на следующий год не распределяются случайно в пространстве, а тяготеют к местам рождения.

Миграция выполняется непрерывно?

Если мы говорим про дальний перелёт в ЮАР, например, то нет, потому что столько запаса хода в птице просто нет. Есть моменты, когда ей нужно спать и отдыхать — это короткие остановки, обычно меньше одного дня (точнее, днём они и так останавливаются, потому что двигаются ночью). И есть моменты, когда она останавливается на 3-4 дня, чтобы есть и толстеть. Могут остановиться и подольше, дней на 10.

На Куршской косе места не самые пригодные для ловли насекомых и поиска семян растений, поэтому зяблики не останавливаются больше, чем на несколько часов. Кстати, зяблики собирают насекомых для выкармливания птенцов, а вот во время миграции собирают семена.

А вот в тех же низовьях Волги поблизости от Астраханского биосферного заповедника или где-нибудь под Волгоградом вполне могут залипнуть на неделю. Именно поэтому, если там около мест миграционных остановок построить торговый центр с парковкой и пару сёл неподалёку, птицы начнут помирать и в Африке, и в Финляндии, и в Калининграде. Это экология.

Раз изучается эндокринная регуляция, значит, у птиц берут кровь?

Верно, у некоторых берут. Это позволяет оценить уровень кортикостерона, например.

Анализы на станции

Ещё, конечно, можно было бы секвенировать их геном и устанавливать родственные связи, но для этого нужно чуть больше пойманных птиц и чуть больше дорогого оборудования, поэтому пока только гормоны. Вот если выиграют грант — будет и что-то похожее.

А что ещё изучается на станции?

Экология видов, заболевания птиц, и инфекции, ими переносимые. Например, тут вот есть ящик с комарами:

Птицы летят в Африку, заражаются там малярией от местных комаров, потом летят к нам уже носителями, здесь их кусают наши комары — и, казалось бы, дальше должны начинаться эпидемии. Но нет, нифига, наши северные комары не поддерживают малярийного плазмодия. Тем не менее, учёт больных птиц (не только малярией) ведётся, это просто такой общий скрининг для понимания, чем всё может кончиться. Потому что, например, если в регионе потеплеет, то никто не гарантирует, что эпидемиологическое равновесие будет тем же.

Или вот газоанализаторы:

Можно посадить птицу в герметичную камеру и замерять расход различных газов, в частности, потребление кислорода. Это даст возможность очень точно оценить, как именно она его использует для окисления, то есть можно будет на физическом уровне смоделировать энергообмен.

Вот тут сотрудники, и у каждого в профиле отсылки на публикации.

Для чего всё это делается?

Для прогресса фундаментальной науки. То есть мы не знаем прикладное применение этих знаний, но знаем, что это нужно изучать. Просто потому, что человечество ещё не знает, как это работает. Так устроена фундаментальная наука: сначала мы задаём вопросы, потом получаем ответы, и только потом начинаем придумывать, что с этим можно сделать.

Как это всё посмотреть самому?

Поехать в Калининградскую область и забраться на Куршскую косу. Это станция посёлка Рыбачий и полевой стационар Фрингилла. Стационар назван так в честь вьюрковой птицы, Fringílla coélebs, то есть нашего зяблика, который тут живёт в ассортименте. Основное здание в посёлке Рыбачьем, а полевой стационар «Фрингилла» посреди косы, и легко доступен туристам и школьникам. Экскурсии нужны, чтобы зарабатывать деньги, потому что первая орнитологическая станция нашей страны финансируется примерно только на зарплаты учёным. Правда, они вовремя сделали ставку на научные публикации и гранты, и научились брать эти самые гранты достаточно хорошо — задолго до того, как их порадовали уменьшениями бюджета.

Её основал ещё немецкий пастор Иоганнес Тинеманн в 1901 году, а в 1956 году её перезапустили как уже советскую станцию. Точнее, тут организовали биологическую станцию, потому что она изучала не только птиц, но и паразитов, а в 60-х работали с рыбами тоже.

К слову, когда я говорил про «старейшую в мире орнитологическую станцию», я влез в знатный холивар. Дело в том, что биостанция «Рыбачий» была основана в 1956 году, и возглавил ее первый директор Лев Осипович Белопольский. Но до этого была станция «Фогельварте Росситтен», которая была действительно первой в мире немецкой орнитологической станцией (основанной в 1901 году). Само слово «фогельварте» появилось благодаря немецкому любителю птиц, художнику Гетке, который в 1893 году написал книгу «Фогельварте Гельголанд», но «Фогельварте Гельголанд» (существует до сих пор), появилась лишь 10 лет спустя после Росситтенской, в 1910 году. Именно поэтому Росситтенская станция считается старейшей. Но сотрудники Гельголандской подчеркивают, что Росситтенская станция прекратила свое существование в 1944 году, а в 1956 на Куршской косе начала работу советская станция «Рыбачий».

Но нам важно то, что на момент основания станции леса рядом не было, был участок дюн, заросший ивовыми кустами. Лес посадили лесники. Здесь идёт долгая борьба с песком, когда участки дюны заставляются специальными корзинами, где могут расти деревья. Позже они образуют лес, что меняет ландшафт косы. Так постепенно песок отступает.

Наш пастор увидел прекрасный пролёт птиц осенью и решил, что именно тут их нужно ловить и считать. Гигантские ловушки появились в 57 году. Вот тут публикуются журналы с накопленными данными.

Ну а вы теперь примерно представляете, как офигительно устроена функция main () у птиц. Периоды разной деятельности, которые настраиваются параметрами среды, эндокринная регуляция для мотивации делать нужное, магнитный орган с выводом в зрительный поток, ещё один магнитный орган, куча других фич. В общем, очень красивый пример прекрасно оптимизированного ветвера ровно под платформу.

С нами сегодня был кандидат биологических наук Андрей Мухин, директор станции.

Автор Сергей Абдульманов