Неизвестно, могут ли какие-либо животные считывать по звездному небу информацию о смене времен года, на этом основании предвидеть различные сезоны и готовиться к ним. Зато мы знаем, что животные используют рисунок созвездий, чтобы ориентироваться при миграции. Многие птицы совершают перелеты по ночам, особенно мелкие певчие, которые тратят так много энергии, что днем кормиться для дозаправки им нужно чаще, чем крупным птицам. Они смотрят на звезды и опознают схему ночного неба. Мы знаем из подробных экспериментов и наблюдений, что они ориентируются на Полярную звезду или, что вероятнее, на созвездия вокруг нее, например на «ковш» Большой Медведицы (как и люди). Во время миграций к северу на летние места размножения птицы летят к «ковшу» Медведицы, так же как беглые рабы в Америке, направляясь на север, шли по направлению к ней, дав ей прозвище «Тыква-горлянка». Когда же птицы в конце лета возвращаются на юг и летят ночью, то Полярная звезда и Большая Медведица остаются у них за спиной или сбоку.
Как уже упоминалось, в Северном полушарии лето проще всего определить по увеличению солнечного света и тепла, необходимых для активной жизни. В тропиках «лето», по сути, бесконечно, там в году около 4320 часов дневного света. В Новой Англии его меньше, около 2520 часов. А вот в Арктике, несмотря на заметно более длинные летние дни, еще меньше – нет и половины от того годового количества, что в Новой Англии. Впрочем, мои вычисления очень приблизительны. Я для простоты считал так: 1) в месяце 30 дней; 2) в тропиках 12 месяцев лета с 12 часами дневного света в сутки; 3) в умеренной зоне 6 месяцев лета с 14 часами светлого времени в сутки; и 4) в высоких арктических широтах 2 месяца лета с 24-часовым световым днем.
В начале февраля худшая часть зимы еще впереди, несмотря на то что дни удлиняются. Иногда, если выглядывает солнце, я слышу пение гаичек, разгул голубых соек, уханье виргинского филина и барабанную дробь дятлов. Но погода, как и эти проявления жизни, которые от нее зависят, непредсказуема. В 2006 году весна была не по сезону холодной, а осень – не по сезону теплой. В том апреле в Вермонте выпало больше снега, чем отмечалось за последние 100 лет. Но в начале февраля знакомая мне пара воронов уже подновила свое гнездо и самка села на кладку яиц. Воронов прогнала пара виргинских филинов, которые заняли гнездо, и в начале апреля в его углублении самка сидела на яйцах (а может быть, уже согревала птенцов или то и другое вместе), когда вокруг образовалась снежная стена высотой 30 сантиметров. Вороны в том же году повторно не загнездились – им не хватало времени. У них, как и у сов, узкое временно́е окно. Им необходимо, чтобы к осени молодняк стал независимым. Поэтому они начинают сезон очень рано. Им нужно целое лето – и еще немного времени. Чтобы построить гнездо и высидеть яйца, требуется не меньше месяца, еще два месяца, чтобы подрастить птенцов, а потом сеголетки все лето должны учиться охотиться, пока вокруг хватает молодых животных, которых легче ловить.
Листовые и цветочные почки осинообразного тополя (слева) и красного клена (справа) в Вермонте. В каждой паре веточек более тонкая несет листовые почки, а та, что потолще (с верхушки дерева), – цветочные
Деревья готовятся к будущему лету в предшествующие девять месяцев, начиная с июля предыдущего года, когда они закладывают зачатки стеблей, листьев и цветков и укрывают их почками. Растения в принципе могут ждать до весны (некоторые, как поздно цветущая белая акация, и ждут), но для северных деревьев определенно лучше располагать хотя бы листовыми почками, которые были бы готовы лопнуть по сигналу. Зимой формировать их слишком холодно, а окончательным сигналом к раскрыванию для почек будет тепло. Проблема в том, что деревья смертельно рискуют, если их обманет какое-то ложное потепление вроде январской оттепели. Насекомые тоже готовятся перейти к активности в определенное время наступающего лета. Например, бабочки сатурнии (Saturniidae) зимуют на стадии куколки и, подобно древесным почкам, останавливают свое развитие от куколки до взрослого насекомого в конце лета – на всю осень, зиму и весну.
Развитие насекомого от стадии куколки до имаго обычно строго зависит от температуры: чем она выше, тем быстрее выходит взрослое насекомое. Но зимующие куколки бабочек могут придерживать развитие, даже ощущая тепло. Для этого они пользуются удивительным механизмом блокировки, снять которую можно, только если подвергнуть куколки достаточно длительному и достаточно глубокому охлаждению. Эксперименты с пересадкой головных ганглиев[4] показали, что именно они блокируют процесс развития насекомого; если имплантировать охлажденные «свободные», или отсоединенные, ганглии, которые развились при правильной продолжительности дня (для данного вида), в брюшко неохлажденной куколки, она начнет процесс развития, так как пересаженные ганглии выпустят гормоны в гемолимфу хозяина. Но, по сути, благодаря тому что их нервная система не активируется, куколки готовятся и ждут следующего лета, до которого еще около десяти месяцев. И только тогда, в правильное время, более-менее синхронно, за неделю-другую, вся многомиллионная популяция вылупится, чтобы спариться и отложить яйца. Это должно случиться вовремя и быстро, имаго живут всего около недели.
Чтобы организм мог подготовиться к лету, он должен уметь предвидеть наступающий сезон, а для этого нужно знать, какое время года идет сейчас (здесь не предполагается наличие сознания). Наверное, один из самых надежных признаков времени года – это фотопериод, соотношение продолжительности дневного света и темноты в 24-часовом цикле. Всю вторую половину лета и осень дни укорачиваются, а затем снова удлиняются – после зимнего солнцестояния. Живое существо, не видя звезд, не зная угла падения лучей Солнца на земную поверхность, теоретически может предполагать наступление лета, отмечая длину дня.
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).
