[Перевод] Эволюционная притягательность океана: как биологические часы животных синхронизированы с приливами

Зимой исландские песочники тысячами слетаются, чтобы попировать на обнажаемых отливом берегах залива Уош. Это среднего размера птички подотряда кулики, скучные и непривлекательные на вид, снизу белые, а сверху – песочного цвета. Во время брачного сезона их перья окрашиваются в красновато-коричневый цвет, но это происходит в арктической Канаде, России и других холодных климатах, где птицы проводят лето, и в Британии их такими видят редко. В Британии песочники более известны своим огромным количеством.

Вид их огромных стай завораживает во время их полётов над местами кормления: в моём Норфолке, эстуариях Темзы и Северн, заливе Моркам и других местах, где отлив обнажает достаточно широкие полосы ила. Птички проводят час-два во время прилива, прячась в растительности чуть выше воды, а затем возвращаются на повторную кормёжку. В Снеттишэме на западном берегу Уоша были зафиксированы приливные полёты птиц численностью до 45 000 особей.

Ведут себя песочники очень характерно. Некоторые куликовые улетают с разными индивидуальными интервалами по мере наступления отливов и приливов. Другие, например, кулики-сороки, поворачиваются спиной к воде и идут, будто бы несчастно, вверх по илистому откосу от наступающей воды. Но песочники, возможно из-за того, что их стаи очень плотные, снимаются с места в самый последний момент, когда прилив уже добрался до их лап и угрожает намочить им живот.

Я наблюдаю за тем, как они летают замысловатыми движениями, будто отдёрнутый фокусником занавес. Плотная стая крутится и делает внезапные выпады будто бы единый воздушный организм. Взлетев, птицы объединяются в яйцеобразное облако невысоко над водой, а затем стая набирает высоту и принимает ещё более причудливые формы, будто бы пиксельный танцор фламенко. По мере рысканий и нырков этой тучи, каждая из её точек становится то яркой, то тёмной, когда тело птицы поворачивает, создавая переливчатый и немного нереальный эффект. И всё это время птицы кричат, и их крики накладываются друг на друга, создавая оглушающий и высокий белый шум.

Отдохнув во время прилива часок на берегу, песочники возвращаются к своей задаче, постепенно маршируя вниз до границы отлива вместе с уходящей водой, выискивая пищу. Возвращающаяся стая выглядит не так шикарно, как поднявшаяся недавно; птицы торопятся. Они разбредаются вдоль кромки воды. Питаются они наощупь, ощущая длинными клювами вибрации ила, выдающие присутствие погребённых под ним моллюсков. Они едят мелких мидий и сердцевидок, но особенно неравнодушны к таким представителям двустворчатых моллюсков, как балтийская макома и к иловым улиткам Hydrobia ulvae. Моллюск-макома живёт в иле в нижней части приливно-отливной зоны, и использует сифонообразную трубочку для засасывания питательного материала с влажной поверхности. Иловая улитка обитает в верхней части приливно-отливной зоны, и питается водорослями и органическим детритом, таким, как разлагающиеся останки морских существ и фекалии, из которых она извлекает белок. Такая сегрегация основных продуктов питания песочников отражена в их пищевых привычках – они клюют поверхность в поисках улиток в верхней части приливно-отливной зоны, когда начинается прилив или отлив, но роют ил в поисках моллюсков, когда вода полностью отступает.

Другие птицы побережья предпочитают разные виды пищи и поэтому ведут себя по-разному в отношении воды. Песочники остаются на краю, а чернозобики с лёгкостью могут нырять за своей добычей. Шилоклювки используют свои загнутые клювы, чтобы шарить в неглубокой воде в поисках червей-нереисов и кревекток. Кулики-сороки могут разбивать твёрдые створки раковин морских блюдечек своим клювом, напоминающим отбойный молоток. В заливе Фанди до двух миллионов малых песочников останавливаются по пути миграции, чтобы полакомиться иловыми креветками. Это место пользуется у них успехом, поскольку беспозвоночные здесь развиваются раньше обычного из-за чрезвычайно далеко отступающей воды, что гарантирует надёжный источник пищи.

Во всех случаях поведением птиц управляют приливы и отливы. Ритуал песочников – питание, сбивание в стаю, отдых, возврат на берег – повторяется не в одно и то же время, а примерно на час позже каждый день, поскольку оно зависит от приливного цикла. Когда, возможно, через несколько дней, прилив наступает с приходом ночи, песочники могут отдохнуть чуть подольше и отказаться от воздушной акробатики, поскольку питающиеся ими хищники охотятся днём, но всё также продолжают есть во время отлива ночью.

Приливно-отливная зона – уникальный ареал, концентрированная полоса перехода между экологическими сообществами моря и суши. Это среда, богатая едой, но также и напряжённым существованием – из-за смены тепла и холода, солнца и волн. Другие ареалы обычно ограничены климатическими регионами. Но приливно-отливная зона встречается на любом берегу, и ограничена только приливами и отливами. И поддерживаемая ею жизнь почти точно воспроизводится по всему миру, несмотря на разницу в климате.

На каменистых берегах разделение на зоны чётко размечено на каждой поверхности, и можно увидеть графические свидетельства жёсткой организации животных и растений по классам согласно их терпимости к погружению в морскую воду или к выходу на воздух. На таком берегу верхним пластом служит сухопутный камень серого цвета с растущим на нём зелёным мхом, а пятна гуано демонстрируют регулярное использование этих камней морскими птицами в качестве насестов. Под ним расположен более тёмный серый пласт, ярче выраженный сверху, чем снизу. Это зона заплесков, которая часто испытывает воздействие моря, но не погружается в воду регулярно. Её отличающийся цвет говорит о присутствии мелких водорослей.

К нижним пластам в местах, где они не слишком круты, цепляются прибрежные морские водоросли. Ниже их есть коричневый слой, содержащий больше мелких и крупных водорослей, который накрывает каждый прилив. Последний видимый слой, ближе к кромке отлива, снова демонстрирует серый камень, к которому цепляются более крупные морские организмы – морские уточки, морские блюдечки и крупные водоросли. Разделение на зоны демонстрируют не только эти неподвижные, сидячие организмы, но и мириад насекомых, крабов, прибрежных птиц и других животных, бегающих туда-сюда в поисках еды в привычных им границах.

И эта вертикальная последовательность сохраняется по всему миру, меняется только ширина отдельных полос, и иногда одна из них может полностью исчезать из-за неподходящих физических факторов, или из-за конкуренции видов. Но в целом такая иерархическая организация жизни уменьшает конкуренцию. Границы полос по жёсткости не уступают границам стран, и сдвигаются лишь в случае неудачных совпадений нескольких событий, и то лишь на немного и ненадолго. К примеру, штормовые волны при приливе временно увеличат зону заплесков, а засуха квадратурного прилива приводит к обезвоживанию видов, обычно живущих в зоне прилива.

Приливно-отливной зоне неминуемо угрожает ещё одна серьёзная опасность – человечество. Во многих частях мира эта богатая зона обитания уменьшается. С повышением уровня море вторгается на сушу – и это более серьёзный фактор, чем кажется на первый взгляд. Повышение уровня моря на миллиметр может привести к эрозии метра суши. А разработка прибрежных зон отбирает их у суши. Если эти два процесса встречаются, то на их границе строят защитные сооружения, заменяющие берег, дюны и топи одним бетонным забором. Полоса обитания шириною в 1-3 км внезапно заменяется вертикальной стеной, сжимающей приливно-отливную зону до нескольких метров.

Другие существа в процессе эволюции научились использовать приливы и отливы более изощрёнными способами. К примеру, цикл воспроизводства «ходячей рыбы», калифорнийского груниона (Leuresthes tenuis), синхронизирован с сизигийными приливами и отливами, когда самый высокий прилив случается раз в две недели, на каждой новой и полной луне. Грунион – небольшая серебристая рыба размером с сардину с лучеобразными плавниками. Весенними и летними ночами во время прилива песчаные пляжи южной калифорнии, куда рыбы приходят нереститься, внезапно покрываются тысячами извивающихся существ.

Научные наблюдения показывают, что это событие точно синхронизировано, чтобы получить преимущество приливов. Случается всё обычно в дни сразу после полной или новой луны, когда прилив высок, но не максимален. На каждый последующий день в этот короткий период прилив будет постепенно уменьшаться, и отложенная грунионами в песке икра не будет вымываться водой. А разбивающиеся о берег волны последующих приливов вспахивают песок, в результате чего икра не погружается слишком глубоко. Последующие 11 дней икра развивается в неглубоком и влажном песке. Через 11 дней приходят большие волны следующего сизигийного прилива. Они начинают размывать песок, где лежит икра. Вскоре она оказывается уже не зарытой в песке, а болтается на волнах, что и является сигналом к вылуплению мальков. Обычно они вылупляются незадолго до следующей полной или новой луны, в результате чего увеличиваются их шансы на то, чтобы спуститься по пляжу к воде до следующих приливов, которые будут постепенно повышаться.

Но это ещё не всё. Если сизигийные приливы не достигают развивающейся в песке икры- к примеру, когда ветра уменьшают высоту прилива – оплодотворённая икра способна задержать вылупление на две или даже четыре недели, пока не придёт более благоприятный прилив.

Множество морских существ, включая мальков рыб, фундулюсов и колчестерских устриц демонстрируют сходную синхронизацию цикла воспроизводства с сизигийными приливами и отливами. Но у грунионов адаптация настолько точно подстроена к приливам и отливам, что её можно назвать эволюционным чудом. Подробности их цикла воспроизводства свидетельствуют об их тесной связи с приливами и отливами. Свидетельства говорят о том, что грунионы эволюционировали в этом месте, а также что с тех пор приливно-отливные условия их места обитания остаются примерно теми же.

Откуда животным «известно», к чему приведёт прилив? Когда учёные начали изучать этот вопрос, они считали маловероятным, чтобы какие-нибудь грунионы обладали внутренним механизмом, по которому можно было бы сверять время для размножения. Чувствуют ли они прилив напрямую, или же реагируют на другие стимулы? Кое-что можно вывести логически. Вряд ли рыбу влечёт к берегу свет луны, поскольку они занимаются этим как в полнолуние, так и в новолуние. То, что размножение происходит не в самый высокий прилив, а вскоре после того, говорит, что их поведение не зависит и от непосредственной высоты прилива (этот момент грунионы могли бы определить по небольшому изменению давления). Следующий после нереста прилив раскачивает икру, что приводит к выделению ферментов, растворяющих мембрану икринок, благодаря чему мальки и вылупляются. Но волны не могли стимулировать рыб к нересту, а иначе любой шторм нарушил бы всю систему размножения.

Что ещё остаётся? Может ли служить стимулом гравитационное притяжение? Любые силы такого рода – ничто по сравнению с изменением давления, которое рыбы испытывают, меняя глубину, но гравитацию всё-таки нельзя полностью отметать. Что бы ни стимулировало это поведение, это явление точно не привязано к тому конкретному приливу, во время которого грунионы выходят на нерест, поскольку икра начинает зреть задолго до этого – и как раз тоже в унисон с фазами луны.

Автор Джон Стейнбек пишет об этой загадке в «Журнале с Моря Кортеса«, книге о биологической экспедиции, организованной им вместе с его другом Эдом Рикетсом в Калифорнийском заливе в 1940-м. «Морем Кортеса» называлось их судно, а также и местность, где они «охотились». Рикетс, послуживший прообразом персонажа Док в книге Стейнбека «Консервный ряд«, позже написал научное руководство по приливно-отливной жизни, основанный частично и на результатах этой экспедиции. Запутываясь в корнях мангровых деревьях лодочным винтом и торопливо собирая представителей разных видов с открывшихся при отливе отмелях, они обнаружили потрясающе разнообразную и красочную жизнь в тёплых водах: крабы и улитки, существа с названиями ужасных мифологических монстров, типа горгоны, и другие существа, такие как серпулиды, настолько малоизвестные, что у них есть только данные наукой названия. Они видели рыбу, способную прожить без воды, по меньшей мере, между приливами, и наблюдали различные формы жизни, разделённые по количеству проводимого в воде времени.

Неизбежно они начали рассуждать по поводу важности приливов и отливов для наличия в жизни разнообразия, особенно поскольку в докембрийском периоде, когда одноклеточные организмы начали эволюционировать в более сложные формы, размах приливов и отливов был гораздо больше сегодняшнего из-за того, что орбита Луны была меньше. Стейнбек пишет: «Притяжение Луны, должно быть, было самым важным из факторов окружающей среды для прибрежной фауны». Вес их тела и перемещение в море циклически менялись вместе с вращением Земли. «Представьте, какой эффект оказывает уменьшение давления на гонады, полные икры или спермы, если они и так уже почти взрываются и ждут небольшого дополнительного стимула для разрядки». Стейнбек находит наиболее интересным то, что множество животных переносят некую память предков, основанную на таких стимулах, и подстраивают её под менее явные сигналы приливов и отливов – он считает, что и мы подвержены этому эффекту. «Приливные эффекты загадочны и сокрыты в глубине души, и можно заявить, что и сегодня эффекты приливов проявляются сильнее и больше, чем это принято считать».

Остаётся вопрос того, как именно эти существа ощущают приливы и отливы. Они не плавают с графиками приливов, они не сопоставляют приливы и время таким искусственным образом, как мы. Либо у них есть встроенные приливные часы, или же они напрямую ощущают некоторые первичные или вторичные свойства приливов, типа давления или скорости течения воды, или изменения её температуры и солёности.

Возможно то, что мы давно отвязались от приливов, делает эту проблему сложнее, чем она есть. Ведь нет ничего удивительного в ощущении животными времени. Мы сами подчиняемся циркадным ритмам, как нам ежедневно напоминают будильники и выпуски новостей. Почему же «циркаприливной» ритм должен быть более странным, чем циркадный? Конечно, у циркадного ритма есть очевидные признаки смены яркого солнечного света темнотой. Но это очевидно нам. А что может быть очевидно морским созданиям, так сильно отличающимся от нас? Мы считаем 24-часовой ритм естественным, но не могут ли эти животные считать естественным период с 12 с небольшим часов, в особенности, если от этого зависит их выживание?

То, как Солнце контролирует дневные и ежегодные ритмы жизни на суше, известно относительно хорошо. Но объяснение ритмических механизмов морской жизни начинает строиться только сейчас. Циркадные ритмы управляются генами, обеспечивающими химический отклик. Это значит, что ритм поддерживается даже в отсутствие внешних стимулов, таких, как изменение уровня освещённости или температур. Такого же рода независимые ритмы наблюдались и у морских существ, но остаётся открытым вопрос того, связаны ли эти биологические часы с приливами, или же они представляют собой версию циркадных часов, подстроившихся в результате адаптации к другому периоду работы.

В 2013 году генетики из Университета Лестера получили доказательства существования специализированных циркадно-приливных биологических часов. Исследователи работали с одним из видов креветок, Eurydice pulchra, известного обитателя песчаных пляжей. Нарушив экспрессию генов, отвечающих за циркадные ритмы, и показав, что животные всё равно сохраняли своё приливное поведение, учёные установили, что приливные ритмы не зависят от циркадных часов. У мокриц есть оба вида биологических часов: циркадные, управляющие такими процессами, как появление телесного пигмента, и циркаприливными, управляющими их поведением в воде в ответ на 12-часовые приливные ритмы.

Касаемо более длительных циклов, сизигийных и квадратурных приливов, эксперименты дают нам новые объяснения того, как на них реагируют животные. Австрийские исследователи использовали нереид – это был один из первых видов, у которых учёные обнаружили циклы воспроизводства, привязанные к сизигийным приливам. Его считают живым ископаемым, поскольку его физиология, поведение и место обитания не менялось уже миллионы лет. В отличие от грунионов, эти черви не размножаются каждый сизигийный прилив в определённое время года, а делают это каждый месяц, во время прилива в полнолуние. Это поведение говорит о том, что их циркадно-лунные часы могут быть привязаны к лунному свету, а точнее, к его отсутствию, а не к гидродинамическим факторам, которые могут влиять на грунионов. Биохимические реакции, катализатором которых выступает лунный свет, могут играть роль в этом поведении. Все известные биологические часы так или иначе связаны либо с луной, либо с солнцем.

Я совершенно не знал о зависимости нереид от лунного цикла, когда подобрал одного из них из ила, наблюдая приливы и отливы на северном берегу Норфолка. Я видел чаек и кроншнепов, которые в тот день тоже то прилетали, то улетали, но чтобы по-настоящему оценить привязанность этих животных к приливам и отливам, мне пришлось бы остаться на том месте на много дней. Наши жизни так явно управляются сменой дня и ночи, что нам совершенно неведомы другие, отличные от этого ритмы, и понимать их наука начинает только сейчас.

Отрывок из книги Хью Элдерси-Уильямса «Прилив: наука и истории о величайшей на планете силе«