Чтобы измерять длину дня, требуются часы, которые на нашей планете работают с периодом 24 часа. Биологические часовые механизмы примерно с таким периодом найдены у одноклеточных организмов, растений, насекомых, птиц и млекопитающих. Но даже часов с правильным периодом для этой задачи будет недостаточно, если местное время на них не установлено. Биологические часы тоже должны быть выставлены на правильное местное время; чтобы делать свою работу, они должны быть чувствительны к сигналам от окружающей среды и синхронизированы с ними, так же как мы выставляем свои часы по времени, которое объявляют по радио, или по другим источникам.
Как любые хорошие часы, биологические часы не начинают спешить или отставать при повышении и понижении температуры, несмотря на то что отдельные движущие ими химические реакции, предположительно, от этого зависят. Однако, подобно часам с пружиной, которые мы носили когда-то (когда не было часов на батарейках) и которые обычно отставали или убегали за сутки на пару минут, биологические часы никогда не бывают абсолютно точными и тоже требуют частой подстройки под местное время по солнцу. Например, циркадные часы, которые убегают вперед на пятнадцать минут за 24-часовые сутки, за четыре дня уйдут вперед на час. Но как они настраиваются? Большинство биологических часов откалиброваны по сигналу включения и выключения света, что в природе обычно соответствует рассвету и закату. Поэтому они довольно точно показывают истинное время, несмотря на то что их периоды могут не совсем совпадать с 24 часами. Если часы выставлены и идут, с них можно «считывать» соответствующее времени поведение, и это будет близко к местному времени суток.
Одним из первых, кто показал, что животное может использовать часы с 24-часовым циклом для синхронизации с сезоном, был Эрвин Бюннинг, изучавший обычную бабочку-белянку, капустницу Pieris brassicae. Летом гусеницы этой бабочки переходят от куколки ко взрослой стадии без задержек, за пару недель, причем точная продолжительность этого перехода зависит от температуры. Осенью гусеницы еще растут нормально, но после перехода на стадию куколки их дальнейшее развитие останавливается независимо от температуры. Если бы оно продолжалось, бабочки выходили бы в такое время, что новому поколению гусениц не досталось бы капусты для питания. Так что гусеницы не продолжают развиваться во взрослых до следующего лета. Бюннинг задался вопросом, откуда животные «знают», какое на дворе время года и что с этим делают. Он выяснил, что у гусениц есть умный механизм с использованием суточных часов (часов с 24-часовым циклом).
С помощью циркадных часов личинки капустницы начинают отсчитывать время от определенного сигнала: как и у большинства других видов, это тот момент суток, когда тьма превращается в свет. Затем, отмерив некоторый период времени – скажем, около 14 часов (точное время различается для популяций, приспособленных к разным географическим областям), они «проверяют», есть вокруг свет или нет. Если, к примеру, в середине лета день продолжается 14 часов, то они «увидят» свет, когда проверят 12-часовое «окно», их центральная нервная система интерпретирует это как долгий день (то есть лето) и продолжит генерировать нормальный коктейль гормонов, чтобы развитие личинок продолжалось. Однако с течением времени дни будут укорачиваться, и в конце концов придет день, когда личинки при проверке 12-часового «окна» ощутят темноту. Раз в этот момент света нет, секреция соответствующих гормонов прекратится до тех пор, пока следующим летом сигнал не поменяется на обратный – тогда развитие продолжится.
Как животное может определять время года по продолжительности дня. Основано на экспериментах с гусеницей бабочки-капустницы с использованием трех разных фотопериодов
Некоторые организмы не имеют доступа к фотопериодическим сигналам. Например, на экваторе фотопериод весь год делится на 12 часов дня и 12 часов ночи. И что же, животные не имеют представления, какое идет время года? Это явно не так, поскольку перелетные птицы, которые проводят зиму в тропиках, «знают», когда пора возвращаться на север, чтобы летом вывести потомство. И, вопреки фольклору, сурку не нужно выходить 1 февраля
[5], чтобы измерить свою тень и решить, хватит уже спать или нет и начинать ли летние дела. А даже если бы и так, он должен был бы знать, когда будет 1 февраля! Однако, как ни странно, сурок как раз, вероятно, знает приблизительную дату. В 1960-х и 1970-х Эрик Пенгелли с соавторами показали, что золотистые суслики
[6] (Spermophilus lateralis) могут при отсутствии как световых, так и температурных сигналов впадать в спячку и выходить из нее по своему внутреннему календарю. Позже Эберхард Гвиннер показал, что европейские мелкие перелетные птицы тоже сверяются с таким годовым ритмом, чтобы определить, когда пора откармливаться, мигрировать и выводить потомство.
Одно из самых зрелищных, потрясающе красивых сезонных явлений в северной умеренной зоне – это цветение и распускание листьев в северных лесах. Оба процесса определяют величину популяции насекомых, а без них в свою очередь в летнем мире не было бы большинства летних птиц и млекопитающих.
Цветение и появление листвы – события, происходящие точно по расписанию. К концу января мы уже три месяца видим голые деревья и продолжаем терпеть метели и кусачий холод. Мы думаем: «осталось всего четыре месяца» до того славного времени, когда почки лопнут, а деревья зацветут и обретут великолепие в долгожданном и давно предвкушаемом нами цвете – зеленом!
Ждать и терпеть еще труднее, когда знаешь, что большинство почек все это время уже совсем готовы, просто ждут своего часа, чтобы раскрыться. Они полностью сформировались на деревьях еще прошлым летом, задолго до блестящего представления с яркой листвой в начале октября, за неделю-другую до листопада. Зачаточные побеги с листьями и зачатки цветков могут быть «упакованы» в почки по отдельности (как у ольхи, лещины и березы), но у большинства видов молодые побеги с листьями и цветками собраны вместе под общей оболочкой из защитных листовидных чешуек. Всю зиму вокруг снег, лед, метели и оттепели, и разные типы почек должны это пережить, а дереву приходится платить за то, что почки были заложены так рано. Тетерева месяцами живут почти на одних только почках тополя осинообразного и березы. Пурпурная чечевица (Carpodacus purpureus), обыкновенный щур (Pinicola enucleator), индейки и белки кормятся почками клена, тополя осинообразного, пихты и ели.
Красные белки едят почки бальзамической пихты и ели (и листовые, и цветочные) и могут произвести дополнительный выводок бельчат – это говорит о том, что ожидается хороший урожай еловых шишек. О белках поговаривают, что они «экстрасенсы» и умеют «предсказывать будущее», но первое неверно, а вот на второе белки способны: они получают информацию, поедая цветочные почки, которые определяют урожай семян.
