Точное определение местоположения судна стало возможным позднее, когда были изобретены два специальных прибора: секстант, которым измеряют угол между солнцем или какой-либо звездой и горизонтом, и хронометр, т. е. точные часы. С помощью этих двух устройств можно вычислить, где находится судно, пользуясь таблицами, в которых указывается угловая высота солнца и звезд в определенные моменты времени. Этот основной метод до сих пор применяют штурманы — находятся ли они на борту грузового судна или на борту космического корабля «Аполлон». В настоящее время появляется все больше данных, свидетельствующих о том, что животные осуществляют навигацию таким же образом — будь то муравьи, отыскивающие дорогу к своему муравейнику, или полярные крачки, путешествующие по всему свету — от озер острова Элсмир в полутора тысячах километров от Северного полюса до антарктических паковых льдов.
Муравей, который отыскивает дорогу к муравейнику, осуществляет не навигацию в строгом смысле этого слова, а ориентацию. Он фиксирует в памяти положение муравейника не в пространстве, а только по отношению к солнцу. Если муравей, который удаляется от муравейника, видит солнце слева под прямым углом к направлению своего движения, то на обратном пути он должен видеть солнце под таким же углом справа. Перенесем муравья, спешащего домой, на 50 м вправо; он будет двигаться прежним курсом и закончит путь в 50 м справа от муравейника. Муравей слепо следует указаниям своего «компаса».
Способности многих животных к навигации были исследованы с помощью такого рода перемещений. Эти эксперименты в значительной степени помогли разобраться в сравнительно простой проблеме ориентации, однако куда сложнее выяснить, как животные определяют свое местонахождение. Предполагают, что в мозгу животных, совершающих миграции (например, перелетных птиц, которые из года в год возвращаются к местам своих гнездовий), должен быть какой-то эквивалент секстанта, хронометра и таблиц.
Теории, объясняющие природу этих внутренних биологических механизмов, неизбежно являются приближенными. Это объясняется трудностью проведения экспериментов, поскольку наблюдать за животными и изучать их поведение во время длительных путешествий необычайно сложно.
Каждый из нас имеет возможность понаблюдать в саду или в лесу за муравьем, возвращающимся к своему муравейнику, но эксперименты удобнее проводить с пчелами. Их легко обучить прилетать к плошке с сиропом, которую можно передвигать с места на место. Можно также перемещать и улей; таким образом ученые получают возможность изучать ориентацию пчелы в начале и в конце ее пути. Простые наблюдения показали, что насекомые сохраняют направление своего движения с помощью своеобразного «солнечного компаса»; удалось также выяснить некоторые особенности работы этого компаса, хотя наше представление о нем не может быть полным, пока мы не поймем до конца физиологические механизмы функционирования сложного глаза насекомых.
В предыдущей главе были описаны эксперименты Фриша по изучению цветового зрения насекомых. Они представляют собой лишь небольшую часть его обширнейших исследований поведения пчел. К наиболее замечательным результатам, полученным Фришем, относится открытие им «языка» пчел. Фришу удалось выяснить, как пчелы находят дорогу домой от цветочных плантаций, где они питаются, и как они сообщают своим соплеменницам, в каком направлении и на каком расстоянии от улья находится корм. Удивительные особенности «виляющего танца» пчел, с помощью которого передаются эти сведения, были описаны неоднократно. Мы их опускаем, поскольку в данном случае нас больше интересует то, как отдельная пчела отыскивает дорогу домой, а не то, каким образом она общается со своими подругами. Отметим только, что возвратившаяся пчела танцует на вертикально стоящих сотах, выписывая своим танцем фигуру в виде восьмерки, причем угол между поперечной осью восьмерки и вертикалью указывает направление к источнику нектара но отношению к солнцу. В самом начале своих наблюдений Фриш обнаружил, что исполнители «виляющего танца» давали неверную информацию и оказывались дезориентированными, когда все небо покрывалось облаками; однако стоило появиться хоть крохотному кусочку голубого неба, и пчелы сразу же находили верный путь. Это наблюдение помогло понять, какими свойствами обладает «солнечный маяк». Пчелы не могли использовать прямой солнечный свет; значит, информация должна была приходить от кусочка голубого неба. Как выяснилось, пчелы ориентируются, руководствуясь поляризованным светом.
Насколько нам известно, ни одно позвоночное не видит поляризованный свет. Таким образом, пчела — это еще один пример животного, живущего в совершенно особом мире, отличном от нашего: ведь пчела располагает информацией, которой мы не можем воспользоваться. Поляризованный свет нельзя отнести к какой-то «разновидности» обычного света, подобно ультрафиолету, который можно представить себе как свет, отличный по длине волны («цвету») от всех тех, которые мы способны видеть. В пучке поляризованного света световые волны расположены особым образом. Обычно световые волны изображают схематически так, как на фиг. 4 изображены звуковые волны. Это очень упрощенная схема, поскольку на ней представлены колебания, совершающиеся только в одной плоскости — в плоскости рисунка; на самом деле в световом пучке волны совершают колебания во всех плоскостях (фиг. 23). Поляризованный свет отличается от обычного света тем, что в нем колебания совершаются лишь в одной плоскости, поэтому его вполне можно представить в виде примитивной схемы, изображенной на фиг. 4. Представить себе явление поляризации очень просто: вообразите, будто вы стоите на морском берегу, а волны движутся строго перпендикулярно к линии берега. Эти волны можно сравнить со световыми волнами, идущими от какого-то расположенного в море источника; они поляризованы, поскольку распространяются только в горизонтальной плоскости вдоль поверхности моря. Неполяризованный свет можно представить себе как множество волн, также идущих прямо к вам, однако эти волны будут распространяться в различных плоскостях, наклоненных под всевозможными углами к горизонтальной плоскости.
Фиг. 23
Неполяризованные световые волны (слева) совершают колебания под прямым углом к направлению распространения света, причем эти колебания происходят во всех плоскостях (как в плоскости страницы, так и в любых других), проходящих через направление распространения света. Поляризованные световые волны (справа) совершают колебания только в одной плоскости (на данном рисунке — в плоскости страницы)
Свет может поляризоваться в результате рассеяния при прохождении через слои мельчайших частиц; когда, например, солнечный свет проходит сквозь атмосферу, он рассеивается молекулами различных веществ, находящихся в воздухе. Направление плоскости поляризации зависит от угла падения света на частицу, поэтому плоскость поляризации света, приходящего от различных точек неба, зависит от положения этих точек относительно солнца. Пчелы видят на небе характерный узор, обусловленный этим различием углов поляризации света. По очень небольшой части этого узора, которая виднеется в разрывах облаков, они, вероятно, могут определить местоположение солнца и проложить правильный курс домой или к цветочной клумбе.
Глаз пчелы обладает какими-то физиологическими механизмами, с помощью которых она воспринимает положение плоскости поляризации света. Возможно, каждый рабдомер особенно чувствителен к свету, поляризованному в одной определенной плоскости; в этом случае восемь рабдомеров одного омматидия могут реагировать на свет, поляризованный в различных плоскостях, и каждый омматидий может воспринимать общую картину поляризации солнечного света. Однако все это главным образом предположения, а полного объяснения нам, видимо, придется ждать до тех пор, пока электрофизиологи, наконец, выберут время, чтобы исследовать сложный глаз насекомых и его работу.
В настоящее время установлено, что некоторые насекомые, а также их «родственники», например дафнии, ориентируются с помощью поляризованного света. Два итальянских ученых исследовали поведение рачков-бокоплавов. Этих маленьких, похожих на креветок животных можно обнаружить, перевернув кучу гниющих на морском берегу водорослей; бокоплавы тотчас выпрыгивают из нее и спешат к воде. Когда песок высыхает, бокоплавы перебираются поближе к морю, где песок более влажный. Казалось бы, чего проще: бокоплавы движутся в сторону большей влажности или же просто видят море и направляются к нему. Но когда бокоплавов перенесли из Римини в Гомбо, т. е. с восточного побережья Италии на западное, и выпустили там на берегу, рачки устремились в сторону суши. Стало быть, бокоплавы не обращали никакого внимания на приходящую от моря информацию, а руководствовались указаниями какого-то «постоянного маяка». Этим «постоянным маяком» оказалось солнце; более подробные исследования показали, что бокоплавы могут ориентироваться с помощью поляризованного света.
