Ученые раскрыли секрет внутреннего компаса бабочек-монархов

Каждой осенью бабочки-монархи из Канады и США поворачивают свои оранжево-черно-белые крылья в сторону Рио-Гранде и мигрируют на расстояние более 2000 миль к относительному теплу центральной Мексики.

Это путешествие, инстинктивно повторяемое поколениями монархов, продолжается, даже несмотря на резкое сокращение их численности из-за потери единственного источника пищи для личинок — молочая. Исследовательская группа считает, что раскрыла секрет внутреннего, генетически закодированного компаса, который бабочки используют для определения направления — юго-запада, — в котором они должны лететь каждую осень.

«Их компас интегрирует два типа информации — время суток и положение солнца на горизонте — чтобы найти южное направление», — сказал Эли Шлизерман, доцент Вашингтонского университета.

Хотя способность бабочки-монарха интегрировать время суток и положение солнца в небе была известна из предыдущих исследований, ученые никогда не понимали, как мозг монарха получает и обрабатывает эту информацию. Шлизерман совместно с коллегами из Мичиганского университета и Массачусетского университета смоделировал, как компас монарха организован в его мозге.

Монархи используют свои большие сложные глаза, чтобы отслеживать положение солнца в небе. Но этого недостаточно для определения направления. Каждая бабочка также должна сочетать эту информацию со временем суток. К счастью, как и большинство животных, монархи обладают внутренними часами, основанными на ритмичной экспрессии ключевых генов. У бабочки-монарха эти часы расположены в антеннах (усиках), и информация от них передается по нейронам в мозг.

Коллеги Шлизермана, включая Стивена Репперта из Массачусетского университета, записали сигналы от нервов антенн монархов, передающих информацию о времени, а также световую информацию от глаз.

«Мы создали модель, которая включала эту информацию — о том, как антенны и глаза отправляют эти данные в мозг, — сказал Шлизерман. — Наша цель состояла в том, чтобы смоделировать, какой тип управляющего механизма работает в мозге, и затем проверить, может ли наша модель гарантировать устойчивую навигацию в юго-западном направлении».

В их модели два нейронных механизма — один тормозной, другой возбуждающий — контролировали сигналы от часовых генов в антеннах. Аналогичная система в модели обрабатывала положение солнца на основе сигналов от глаз. Баланс между этими механизмами помогает мозгу монарха определить, какое направление является юго-западным.

Согласно их модели, при коррекции курса монархи не просто делают самый короткий поворот, чтобы вернуться на маршрут. Их модель включает уникальную особенность — точку разделения, которая определяет, повернет ли монарх направо или налево, чтобы направиться на юго-запад.

«Положение этой точки в поле зрения бабочки-монарха меняется в течение дня, — сказал Шлизерман. — И наша модель предсказывает, что монарх не пересечет эту точку, когда будет корректировать курс, чтобы вернуться на юго-запад».

Основываясь на симуляциях, если монарх сбивается с курса из-за порыва ветра или препятствия, он повернет в ту сторону, которая не потребует пересечения точки разделения.

Дальнейшие исследования должны подтвердить, соответствует ли модель исследователей анатомии, физиологии и поведению мозга бабочки-монарха. Пока что такие аспекты их модели, как точка разделения, согласуются с наблюдаемым поведением.

Их модель предлагает простое объяснение тому, почему бабочки-монархи способны развернуться весной и направиться на северо-восток, обратно в США и Канаду. Четыре нейронных механизма, передающих информацию о часах и положении солнца, должны просто изменить направление на противоположное.

«И когда это происходит, их компас указывает на северо-восток вместо юго-запада, — сказал Шлизерман. — Это простая, надежная система, объясняющая, как эти бабочки — поколение за поколением — совершают эту замечательную миграцию».