Танец пчел

Пытаясь найти объяснение удивительной способности многих животных к навигации, человек склонен обращаться к наиболее очевидным ориентирам — солнцу, луне, звездам, горам, рекам и т. п. Между тем многие животные видят окружающие предметы совсем не такими, какими они представляются нам с вами. Сравните два участка голубого безоблачного неба и вы не обнаружите между ними никакой заметной разницы.

Однако для животного со сложными «глазами (т. е. с глазами, состоящими из множества крошечных глазков) любые два участка безоблачного неба выглядят по-разному. Многие животные используют свою способность воспринимать эти различия в освещенности для определения нужного направления во время путешествий. Как возникают эти различия в освещенности? И какова природа света? Известно, что, с одной стороны, свет представляет собой поток частиц, летящих в пространстве со скоростью около 300 тысяч километров в секунду.

С другой стороны, свет — это волны, очень цохожие на морские волны, набегающие на берег. На современном уровне наших знаний о природе света оба ответа можно считать правильными. В одних условиях свет проявляет характерные признаки своей волновой природы, а в других он представляется потоком частиц. Однако нас здесь интересуют только волновые свойства света. Попробуйте быстро поднимать и опускать один конец шнура, привязанного друхим концом к столбу, и вы увидите, что по шнуру бегут волны; такие волны называют поперечными, так как все точки шнура колеблются при этом перпендикулярно его длине. Попробуйте затем двигать конец шнура в других направлениях; оказывается, в каких бы направлениях вы его ни двигали, пробегающие по нему волны всегда будут поперечными. Примерно таким же образом происходят колебания в луче света.

Если же световой пучок отражается от какой-либт гладкой поверхности, отраженный свет становится частично поляризованным (поляризованным называют свет, в котором колебания происходят в какой-либо одной плоскости). Мерцающий отблеск поверхности воды в солнечный летний день может служить одним из примеров поляризованного света. Если пропустить шнур в щель и вновь подвигать его, то можно получить наглядное представление о том, что происходит при поляризации света: сквозь щель проходят только те колебания шнура, направление которых совпадает с направлением щели. Солнечные лучи, проходящие сквозь атмосферу, рассеиваются молекулами воздуха и частично поляризуются.

Количество такого поляризованного света различно в разных участках неба, причем при движении солнца по небу это количество закономерно изменяется. Именно эти изменения способны различать некоторые животные. В 1949 году австрийский биолог Карл Фриш обнаружил, что медоносные пчелы (Apis rnellifera), при полетах за кормом и при возвращении в улей ориентируются по поляризованному свету неба. Кроме того, Фриш установил, что у пчел имеется особый «язык», при помощи которого бни сообщают друг другу сведения о местонахождении источника корма. Если надо объявить обитателям улья, что найден новый источник нектара и пыльцы, и рассказать, где он находится, пчелы исполняют особый танец. Пчеласборщица, вернувшаяся в родной улей после успешной фуражировки, танцует, а другие пчелы внимательно следят за ней.

Так, например, пчела-разведчица, нашедшая источник корма на расстоянии около 30 метров от улья, исполняет своего рода «круговой танец», во время которого она описывает на вертикальной поверхности сотов почти правильный круг (см. рисунок); в середине танца она меняет направление и возвращается назад почти по тому же кругу. Если же пчела нашла пищу за 140 метров от улья, то она описывает не круг, а восьмерку; при этом, пробегая ту часть пути, которая соединяет обе петли восьмерки, пчела очень быстро виляет брюшком. Эту часть танца называют «прямолинейным пробегом». Если источник пищи находится на расстоянии примерно 80 метров от улья, то круговой танец переходит в виляющий. Таким образом, сведения о расстоянии между ульем и кормом пчела передает путем изменения сложности танца.

Фриш наблюдал за танцами пчел в специальном улье со стеклянными боковыми стенками. Когда тщательно помеченные пчелы возвращались от кормушек, находившихся на различных расстояниях, соответствующих виляющему танцу, частота виляния брюшком и быстрота прямолинейного пробега пчел сильно варьировали. Размещая кормушки через строго определенные промежутки, Фриш при помощи секундомера прохронометрировал виляющий танец. Если кормушки находились за 100 метров от улья, то пчелы-разведчицы, вернувшись, в течение 15 секунд повторяли виляющий танец до 10 раз. Если же кормушка находилась на расстоянии 8 километров от улья, то за тот же промежуток времени пчела величественно исполняла свой виляющий танец только один раз. После завершения виляющего танца наблюдавшие его пчелы летят к определенному источнику корма, причем пчела-разведчица их не сопровождает. Каким же образом пчелы узнают, в каком направлении им нужно лететь? Оказалось, что направление полета указывает направление прямолинейного пробега пчелы во время танца. Пробег, направленный вертикально вверх по сотам, означает, что лететь надо по направлению к солнцу, а пробег вниз указывает противоположное направление полета. Если кормушка лежит вправо или влево от того направления, в котором находится солнце, то прямолинейный пробег в танце пчелы отклоняется на соответствующий угол от вертикали (см. рисунок ниже).

В теплые дни, когда пчелы ожидают прилета пчел-разведчиц снаружи улья, разведчицы используют в качестве исходного ориентира само солнце. В виляющем танце, который они исполняют на горизонтальной поверхности прилетной доски, прямолинейный пробег образует соответствующий угол с направлением на солнце. Пчелам достаточно увидеть лишь небольшой участок голубого неба для того, чтобы сориентироваться. Ориентиром при этом служит поляризованный свет неба. Даже если солнце зашло за гору, поляризованный свет неба укажет пчеле его положение. Дальнейшие опыты Фриша позволили выяснить, как пчелы используют поляризованный свет для ориентации.

В одном из экспериментов пчелы танцевали на горизонтально расположенных сотах, указывая путь к кормушке с сахарпым сиропом, помещенной к востоку от улья. Затем улей прикрывали доской, в которой имелось небольшое окошечко, так что пчелы могли видеть лишь один участок на северной стороне неба; при этом пчелы своим танцем продолжали правильно указывать направление к кормушке. Затем Фриш вставлял в это окошко поляризатор, проходя через который частично поляризованный свет неба становился полностью поляризованным. Если поляризатор располагали таким образом, что нормальное направление плоскости поляризации северного участка неба не изменялось, пчелы своим танцем по-прежнему указывали правильное направление к кормушке. Однако если при любом другом положении поляризатора плоскость поляризации проходящего через окошко света изменялась, это приводило к соответствующему изменению той части танца пчел, которая указывает направление к кормушке.

Фриш сделал восьмигранный поляризующий фильтр, который можно рассматривать как модель глаза пчелы. Глядя сквозь этот искусственный глаз на различные участки неба, он обнаружил, что картины меняются, как в калейдоскопе: каждому участку неба соответствовало свое соотношение света и теней. Направив этот «глаз» на тот участок неба, который видели пчелы в рассмотренном выше эксперименте, Фриш понял, почему они изменяли при этом направление своего танца: оказалось, что при вращении поляризатора соотношение освещенностей становится таким, каким оно обычно бывает на совсем другом участке неба. Поэтому пчелы-разведчицы, считая, что они видят этот другой участок, быстро изменяли направление прямолинейного пробега. Когда же при помощи поляризатора Фриш создавал такую картину, которую нельзя увидеть ни на одном участке реального неба, пчелы окончательно сбивались с толку.

Пчелы непременно должны уметь точно определять время дня, потому что в течение дня изменяется как положение солнца на небе, так и плоскость поляризации света, отражаемого разными участками неба. Огромное значение биологических часов для пчел, а вероятно и для животных/ совершающих далекие путешествия, было продемонстрировано в следующем эксперименте. Пчел в Нью-Йорке натренировали летать за кормом в час дня в северо-западном направлении. Когда этих пчел очень быстро перевезли в Калифорнию и выпустили, то в час дня (по восточному стандартному времени) они отправились в юго-западном направлении.

В обоих случаях направление полета пчел составляло один и тот же угол с направлением на солнце. Недавно было установлено, что в разных областях пчелы «говорят» на разных диалектах. Уроженец Новой Англии с его «бостонским акцентом», впервые встретившись с уроженцем южных штатов, испытывает некоторые затруднения, хотя оба они говорят по-английски. Подобные же «региональные различия в языке» были обнаружены, когда австрийская медоносная пчела — «звезда» исследований Фриша — встретилась с итальянской пчелой. Их «слова», т. е. танцы, произносятся» по-разному. Для танца итальянской пчелы, например, характерен отчетливый «южный ритм»: дляобозначения небольшого расстояния (около 10 метров) она исполняет круговой танец; при увеличении расстояния до 40 метров рисунок ее танца переходит в согнутую и сплюснутую восьмерку, более всего напоминающую серп. При еще большем увеличении расстояния итальянская пчела переходит на виляющий танец. Таким образом, изменение рисунка танца у итальянской пчелы происходит задолго до перехода на виляющий танец у австрийской пчелы.

Поэтому австрийская пчела, отправившись за кормом в соответствии с указаниями, почерпнутыми из виляющего танца итальянки, пролетает мимо кормушки, залетая гораздо дальше, чем нужно. В последние годы было обнаружено еще одно средство общения пчел между собой. Г. Эш установил, что помимо тапцев пчелы используют для переговоров друг с другом еще и звуки. (Почти одновременно и совершенно независимо это открытие было сделано также Э. Веннером.) Поместив в улей во время танца пчел маленький микрофон, Эш был чрезвычайно удивлен, когда услышал громкое «тр-тр-трр», повторяющееся с короткими паузами.

Некоторые рабочие пчелы, наблюдавшие танец, тотчас после этих сигналов покидали улей и отправлялись на поиски нектара. При помощи скоростной киносъемки ученому удалось установить источник этого своеобразного жужжания: звук исходил от пчелы, начинавшей виляющий танец, и она издавала его при помощи легких движений своих крыльев. После долгих и тщательных исследований Эш пришел к выводу, что продолжительность жужжания связана с расстоянием до источника пищи, а высота отдельных звуков и продолжительность пауз между ними, вероятно, указывают на качество и количество найденного нектара. Считая, что код расшифрован, Эш сделал искусственную пчелу и пустил ее в улей, где она должна была воспроизвести танец живой пчелы, прилетевшей с разведки с сообщением о местонахождении источников нектара. Маленький репродуктор издавал при этом необходимые звуки в нужное время. Эш считал, что рабочие пчелы, окружившие исполнительницу, должны по окончании танца вылететь из улья и найти описанный источник нектара. Однако ничего подобного не произошло.

Вместо этого одна из пчел напала на искусственную пчелу и пыталась ужалить ее. Такие нападения повторялись из опыта в опыт. Оказалось, что причиной «убийства» была оплошность самого Эша. Ученый забыл про то, что за звуками, исходящими от крыльев танцовщицы, иногда следовали другие звуки, которые, по-видимому, издавала та или другая из окружающих пчел, как бы говоря: «Я понимаю». При этом танцующая пчела должна остановиться и дать возможность другой пчеле понюхать принесенный нектар. Ошибка искусственной пчелы состояла в том, что она продолжала танцевать после подачи этого сигнала. Настоящая пчела возмутилась и ужалила ее. Когда в модель внесли соответствующие коррективы и она стала останавливаться после описанного сигнала, нападения прекратились. Как же пчелы слышат этот звук?

Возможно, что их чувствительные усики — антенны — улавливают звуковые колебания. Ученые нашли, что в темноте улья пчелы следят за танцем пчелы-сборщицы, прикасаясь антеннами к ее брюшку. Колебания крыльев передаются, вероятно, с тела танцующей пчелы на усики наблюдателей. Ученые находят все больше и больше животных, которые во время своих путешествий ориентируются по поляризованному свету. Пока что все эти животные относятся к членистоногим, т. е. к группе, в которую входят и насекомые, и пауки. Некоторые муравьи, пробирающиеся сквозь заросли высоких трав, используют в качестве ориентира поляризованный свет неба. Поляризованным светом, проникающим сквозь толщу воды, пользуются некоторые обитатели океана. Для одного насекомого маяком в его ночных путешествиях служит луна. Встречающийся на южноевройейском побережье рачок бокоплав, который кормится в сумерках или ночью, ориентируется по поляризованому. свету угасающего дня до тех пор, пока луна не осветит ему путь среди дюн.

В. Мартека

О биологических часах

Часы представляют собой один из самых замечательных механизмов, существующих на свете. Однако здесь речь будет идти не о будильнике, стоящем возле вашей кровати, и не об уличных электрических часах, висящих на углу. Часы, о которых мы собираемся вам рассказать, имеются во всех живых организмах, и по этим часам идет великое множесто процессов, наблюдаемых в природе.

У этих часов нет ни пружины, ни колесиков, ни циферблата; они даже не тикают. И тем не менее большинство из них работает настолько точно, что на протяжении многих тысячелетий они неизменно показывают верное время. Многие люди просыпаются утром за минуту до звонка своего будильника. Вставая изо дня в день на работу в одно и то же время в течение долгих^лет, они приучили свой организм к определенному режиму. Их «внутренние часы» неслышно для окружающих ежедневно в нужное время подают им сигнал подъема. Более того, некоторые люди могут приказать себе проснуться утром в определенное время, независимо от того, насколько поздно они легли накануне. И когда наступает утро, они действительно просыпаются вовремя.

Совершив перелет из Сент-Луи в Лондон, вы в полной мере ощутите наличие у вас внутренних часов, и притом с некоторым неудовольствием. Видя перед собой «Большого Бена», вы будете твердо уверены, что находитесь в Лондоне, однако «перевести» внутренние часы на лондонское время не так-то просто. Они будут продолжать управлять функциями вашего организма по времени Сент-Луи. Возможно, например, что первые несколько ночей в Лондоне вы не сомкнете глаз, подчиняясь своим внутренним часам. Такие внутренние часы есть не только у человека.

Австралийские рифовые цапли (Demiegretta sacra), живущие примерно в пятидесяти километрах от моря, ежедневно прилетают кормиться на побережье строго во время отлива. А ведь время отлива ежедневно сдвигается на 50 минут! Пчела, отправляясь каждый день за нектаром, совершенно точно знает, когда распускается каждое растение на ее пути. По-видимому, биологические часы пчелы обладают автоматическим заводом: если она в течение одного или двух дней не вылетает из улья из-за плохой погоды, то это не нарушает привычного расписания полетов. Ритм многих процессов, происходящих в живых организмах, соответствует по точности работе часового механизма.

Некоторые из таких ритмов имеют месячный или годичный цикл, а другие проявляют суточную периодичность. Всем хорошо известны годичные циклы роста и размножения растений и животных, определенные периоды цветения у растений, весенние и осенние перелеты птиц. Менее широко известно, что температура тела человека регулярно изменяется на протяжении суток, что морские организмы ежемесячно поднимаются из глубин океана на поверхность (это происходит весной в полнолуние), что устрицы открывают свои раковины всякий раз, когда воды прилива омывают устричные банки. Ритмы, паблюдаемые у различных живых существ, очень точно совпадают с ритмами неживой природы, которые обусловлены вращением Земли и ее движением вокруг Солнца.

К числу последних относятся чередование света и темноты, т. е. дня и ночи, сезонные колебания, а также приливы и отливы, происходящие два раза в сутки. Но каким же образом в таком случае можно отличить действие внутренних часов от простой реакции живых организмов на периодические изменения освещенности, уровня океана или какихлибо других факторов природы? Для того чтобы ответить на этот вопрос, ученые извлекают исследуемый

организм из его естественной среды и помещают его в лабораторию, поддерживая все те факторы, к действию которых предположительно чувствителен данный организм, на постоянном уровне. Это называется созданием постоянных условий. Если организм, находясь в таких условиях, сохраняет ритм, свойственный ему в природных условиях, то можно предполагать, что существует какой-то внутренний механизм, обеспечивающий данный ритм. Еще в 1729 году французский астроном де Мэран обнаружил существование у растений внутренних часов. Он содержал растения в полной темноте при относительно постоянной температуре. В естественных условиях у многих растений наблюдается чередование периодов «сна» и «бодрствования». Так, у бобов, гороха и клевера листья на ночь опускаются, а утром вновь поднимаются *. В лаборатории де Мэрана в полной темноте листья этих растений вели себя точно так же, как если бы они росли в нормальных условиях: они периодически опускались и поднимались (рис. 1,А). Иначе говоря, растения как бы продолжали испытывать влияние смены дня и ночи, хотя на самом деле были изолированы от него. Таким образом, опыты де Мэрана показали, что листья растений подчиняются какому-то временному механизму.

Недавно существование внутренних часов было показано на примере манящего краба (род Uca). Этого краба очень часто можно видеть на морских отмелях во время отлива, а узнать его легко по огромной клешне (у самцов), которая так велика, что кажется, будто все животное состоит из одной этой клешни. Для этого краба характерен суточный цикл изменения окраски: с восходом солнца цвет его изменяется, защищая животное от солнечных лучей и маскируя от врагов, а в сумерках он вновь «надевает вечерний костюм». Краб активен во время отлива, а во время прилива обычно находится в покое.

Если такого краба поместить в темную комнату при постоянных условиях, то он продолжает периодически менять окраску (рис. 1, Б) и чередовать периоды активности и покоя, то есть ведет себя точно так же, как и его собратья, оставшиеся на берегу моря. Следовательно, даже в темной лаборатории, где нет чередования дня и ночи, приливов и отливов, краб подчиняется какому-то внутреннему механизму, цикл которого совпадает с приливным циклом. Со времен де Мэрана до наших дней (и особенно за последние 30 лет) ученые обнаружили биологические часы у многих живых организмов. Такие беззвучные часы были найдены у самых разнообразных существ — от мельчайших организмов, населяющих каплю дождевой воды, до африканских фиалок и человека.

В настоящее время ученые считают, что биологические часы имеются у всех без исключения живых организмов. Если животное или растение поместить в постоянные условия, то ритм их различных функций может измениться. В одних случаях начало периода дневной активности может ежедневно немного сдвигаться на более раннее или, наоборот, более позднее время. Такие отклонения от строгой 24-часовой периодичности называют циркадными ритмами (от латинского слова circa, означающего «приблизительно»).

У белок летяг, помещенных в постоянные условия, наблюдается циркадный ритм. Эти млекопитающие кормятся по ночам. Каждый день в сумерки они выходят из дупла и всю ночь напролет до рассвета бегают вверх и вниз по деревьям и перепрыгивают с одного дерева на другое в поисках пищи. Днем они отдыхают, скрываясь в своих дуплах от посторонних взоров. Активность летяг начинается примерно через полчаса после захода солнца, или, точнее, когда освещенность падает до какой-то определенной величины (что можно измерить при помощи соответствующих приборов). И каждые 24 часа этот цикл повторяется. П. де Курси содержала несколько летяг при постоянной температуре в темноте и наблюдала за их поведением. Животные жили в специально сконструированных вращающихся проволочных клетках, которые пачинали вращаться, как только летяги начинали двигаться.

Наблюдения показали, что белки, живущие в лаборатории, сохраняют такой же ритм активности, как и их собратья, живущие на свободе в лесу. Оказалось, однако, что циклы активности подопытных животных отличались от 24-часового цикла их свободно живущих собратьев. У белок, содержавшихся в неволе, продолжительность цикла колебалась от 23 до немногим более 24 часов. Животное с самым коротким циклом (23\часа) начинало бегать в своей клетке каждый день на один час раньше, чем накануне. Таким образом, примерно за три недели распорядок жизни летяги, живущей при постоянных условиях в лаборатории, отставал от ритма ее лесных собратьев на целые сутки.

Интересно, что выпущенные на свободу летяги вновь возвращались к своему нормальному 24-часовому циклу *. По мнению многих ученых, циркадные ритмы служат одним из свидетельств того, что биологические часы представляют собой некий самозаводящийся механизм. В естественных условиях циркадные ритмы синхронизируются со строгим 24-часовым ритмом под влиянием какого-нибудь внешнего фактора, например изменения освещенности. Для летяги таким синхронизирующим фактором служат сумерки, т. е. период перехода от света к темноте. Биологические часы, очевидно, можно «переводить» вперед или назад, варьируя время воздействия синхронизирующего фактора.

У таракана, как известно, период активности совпадает с наступлением ночи, причем насекомое наиболее активно в вечерние часы. Биологические часы таракана можно легко перевести, если в лабораторных условиях искусственно поменять местами дни и ночи. В одном из таких опытов клетку с тараканом поставили в темную комнату, а движения насекомого круглые сутки регистрировал «электронный глаз». Ночью комнату освещали электрическими лампами, а каждое утро в 9 часов свет выключали. Таким образом, для этого таракана день превратился в ночь, а ночь —в день.

Примерно через неделю насекомое изменило свой обычный распорядок, проявляя активность во время искусственной ночи, хотя в действительности в это время за стенами лаборатории был день. Итак, часы таракана были переведены. Почти все ученые считают биологические ритмы врожденными, а не приобретенными. У животных, находившихся с момента рождения в постоянных условиях, проявляется такой же ритм, как и у их сородичей, живущих в естественных условиях. Например, пчелы, родители которых выросли в темноте, имели точно такой же 24-часовой ритм, что и пчелы, выросшие в обычных условиях. Ящерицы, которых с момента вылупления и до взрослого состояния непрерывно содержали на свету, также обнаруживают определенный для этого вида цикл активности. Своеобразный рекорд в смысле наследования ритмов побили, по-видимому, знаменитые представители мира насекомых — плодовые мушки, или дрозофилы. Оказалось, что мушки, выращивавшиеся на протяжении 15 поколений подряд в постоянных условиях, ухитрились сохранить один и тот же ритм активности!

В. Мартека