Биомеханика информации: как получить больше «миль на галлон» от мозга

Охотничья стратегия стройной рыбы из Амазонки помогает исследователям понять, как сбалансировать метаболическую стоимость получения информации и метаболическую стоимость передвижения для её получения.

Новое исследование из Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета отвечает на вопрос: в поведении, требующем движения для получения информации, когда животному следует тратить больше энергии на локомоцию, а когда — на получение большего количества информации?

Исследование опубликовано в журнале PLoS Computational Biology.

Команду под руководством Малкольма МакАйвера, доцента кафедры машиностроения и биомедицинской инженерии, проанализировала охотничье поведение слабоэлектрической рыбы Apteronotus albifrons (чёрный нож), обитающей в Амазонке. Она охотится ночью, используя самоиндуцированное электрическое поле для восприятия окружения, подобно тому, как летучая мышь использует сонар. Это животное стало «дрозофилой» в исследованиях обработки сенсорной информации.

Рыба охотится, наклонив тело вниз. Это вызывает более чем вдвое большее сопротивление движению по сравнению с плаванием без наклона. Однако такая поза позволяет рыбе сканировать большую площадь и находить больше добычи. Исследователи обнаружили, что возросшая стоимость движения из-за наклона более чем компенсируется улучшением сенсорных возможностей. За определённым углом наклона, превышающим наблюдаемый в природе, дополнительные затраты на движение становятся больше, чем энергетическая выгода от обнаружения большего количества добычи.

Нилиш Патанкар, доцент кафедры машиностроения, помог МакАйверу разработать код для гидродинамического моделирования, чтобы рассчитать силы сопротивления рыбы во время охоты и обычного плавания.

«Тот факт, что рыба наклоняется, чтобы сканировать большую площадь для поиска добычи, несмотря на энергетические затраты, — очень интересный результат», — сказал МакАйвер. — «Чтобы понять, почему животные устроены так, как устроены, мы должны смотреть не только на неврологическую или сенсорную функцию — мы должны учитывать механику. Нужно рассматривать интеллект тела как центральный компонент нашего общего интеллекта и считать энергосбережение проявлением ума».

Результаты также предполагают, что охота в положении, увеличивающем сопротивление, могла стать основой для необычного удлинённого тела этой рыбы.

Эти выводы проливают свет на определённые закономерности в эволюции животных, например, почему у нас и большинства других животных есть подвижные сенсорные системы, такие как глаза, пальцы и руки. «Если бы рыба могла поворачивать область чувствительности к добыче, как животное на основе зрения может перемещать взгляд, это сэкономило бы ещё больше энергии», — отметил МакАйвер. — «Этот вывод помогает нам понять, почему такие животные, как мы, могут двигать глазами».