Как животные находят источники запаха: эксперименты и симуляции
Способность животных находить источник запаха — например, собаки-спасателя, обнаруживающей человека под завалами, — кажется простой, но на самом деле это сложная задача. Проблема в том, что запахи, в отличие от света или звука, не распространяются по прямой линии. Они образуют турбулентные шлейфы, которые хаотично колеблются и извиваются, что делает навигацию по градиенту запаха (движение туда, где запах сильнее) неэффективной.
Стратегии навигации по запаху
Животные используют разные стратегии в зависимости от условий и своих возможностей:
- Анемотаксис (реакция на воздушные потоки): Летающие насекомые, такие как мотыльки, используют стратегию "зигзаг и рывок". Обнаружив феромоны, они летят против ветра. Потеряв шлейф, начинают летать зигзагом (casting), а найдя его снова — снова двигаются против ветра (surge).
- Тропотаксис ("стереообоняние"): Некоторые насекомые сравнивают силу запаха на двух удалённых друг от друга антеннах и поворачивают к той, где сигнал сильнее.
- Клинотаксис ("сравнительная покупка"): Млекопитающие с близко расположенными ноздрями (например, мыши) поворачивают голову, нюхают с одной стороны, затем с другой и поворачивают тело в сторону более сильного запаха. Это требует запоминания предыдущего "снимка" запаха.
- Инфотаксис: Стратегия, предложенная для роботов, сочетает исследование неизвестных областей и использование уже собранной информации о вероятном местоположении источника. В симуляциях путь выглядит похожим на траекторию мотылька.
Симуляции и эксперименты
Исследователи используют математические модели и симуляции, чтобы понять эффективность стратегий в разных условиях. Например, проект Odor2Action под руководством Джона Кримальди моделирует поведение виртуальных существ. Симуляции показывают, что при низкой турбулентности тропотаксис и клинотаксис работают хорошо, но при высокой турбулентности эффективность падает. Однако реальные мыши успешно справляются и с турбулентными шлейфами, что указывает на неполноту наших знаний об их стратегиях.
Прорыв в исследованиях с плодовыми мушками
Плодовые мушки (Drosophila) — идеальный объект для изучения обоняния из-за простой нервной системы и полностью картированного коннектома (карты связей нейронов) центрального мозга, опубликованного в 2020 году.
Учёные Йельского университета Тьерри Эмонет и Деймон Кларк использовали генетически модифицированных мух, чьи обонятельные нейроны активировались светом, а не запахом. Это позволило создать для мух виртуальную "обонятельную" реальность, проецируя им движущиеся световые паттерны, имитирующие запаховые шлейфы.
Ключевые открытия:
- Мушки всегда шли навстречу движущимся полосам (аналог запаховых пакетов).
- В реалистичном турбулентном шлейфе мушки успешно находили его центральную линию.
- При демонстрации обращённого во времени шлейфа (где усреднённое движение было к центру, а не от него) мушки терялись и двигались от центра.
Это доказало, что мушки способны определять направление движения дискретных пакетов запаха, а не просто его концентрацию. В центре шлейфа больше пакетов, движущихся наружу, чем снаружи — внутрь. Мозг мушки вычисляет это коллективное движение.
Нейронная механика
Нейробиолог Кэтрин Нагел, используя коннектом, выяснила, как мозг мушки обрабатывает эту информацию. Нейроны, чувствующие направление ветра, и нейроны, определяющие направление движения запаховых пакетов, пересекаются в области мозга под названием "веерообразное тело". Мушка интегрирует эти два вектора (направление ветра и среднее направление движения запаха), возможно, буквально суммируя их, чтобы выбрать правильный курс.
Оставшиеся вопросы
Несмотря на прогресс, многие загадки остаются:
- Как собаки совмещают след наземного и воздушного запаха?
- Как активное "принюхивание" (например, колебание усов у мышей) влияет на сбор информации?
- Сохранились ли аналогичные нейронные схемы у других животных, например, ракообразных?
- Какие ещё неизвестные сенсорные способности есть у животных?
Поиск ответов на эти вопросы объединяет усилия биологов, физиков и математиков.