Как животные идут на запах и чему это может научить нас

В самом сердце разрушенного города Форт-Майерс, после пронесшегося урагана «Иэн», второго октября 2022 года, наступило мгновение, которого так долго ждал поисково-спасательный ротвейлер по кличке Арес.

Его натаскивали и готовили к таким моментам, когда на кону стоит человеческая жизнь. Почуяв запах, исходивший из развалин, Арес мгновенно решился действовать, несмотря на опасность.

Следуя за собакой, проводник осторожно пробирался сквозь обломки, пытаясь проникнуть в разрушенный дом. И вот, в одной из комнат, они обнаружили мужчину, который два дня томился в ванной, окруженной обломками потолка. Ураган унёс жизни многих людей, но благодаря преданности и профессионализму Ареса, этот человек был спасен.

Этот случай стал ярким примером того, как в сложных ситуациях животные могут стать настоящими героями, спасая людей из-под завалов и обломков. Преданность, обученность и инстинкт помогли Аресу спасти жизнь человека, подчеркнув важность работы поисково-спасательных собак в условиях стихийных бедствий.

Обоняние - одно из самых удивительных и сложных чувств в мире животных. Мы часто удивляемся умению собак находить людей под завалами или мотыльков двигаться на запах к своим партнерам. Но каким образом живые существа ориентируются с помощью обоняния, остается загадкой. Ориентироваться по запаху не так просто, как кажется, и ученые продолжают исследовать эту удивительную способность.

Гаутам Редди, биофизик из Гарвардского университета, подчеркивает, что запах не распространяется прямо, как свет или звук, что усложняет задачу обнаружения источника запаха. Его исследование, опубликованное в журнале Annual Review of Condensed Matter Physics за 2022 год, затрагивает вопрос того, как именно животные находят источники запаха. Каждый организм обладает своими уникальными способностями и механизмами для этого, и понимание этих процессов открывает новые горизонты в науке.

Исследования обонятельной навигации животных становятся все более актуальными в современной науке. Проблема становится очевидна при взгляде на шлейф сигаретного дыма. Сперва он поднимается, перемещаясь по более-менее прямолинейной траектории, но скоро начинает колебаться и хаотично клубиться в процессе, называемом турбулентным течением. Как животным удается проделать путь к источнику в обратном направлении по такому запутанному маршруту?

За пару последних десятилетий появились новые высокотехнологичные инструменты — от генетических модификаций до виртуальной реальности и математических моделей, позволяющих исследовать обонятельную навигацию несколькими совершенно разными способами. Стратегии, используемые животными, и их успешность зависят от множества факторов, в числе которых — форма тела животного, его когнитивные способности и степень турбулентности в шлейфе запаха.

Интересно, какие механизмы и стратегии используются у различных видов животных для успешной навигации в сложных условиях запаховой информации. Некоторые исследования показывают, что у животных, например, насекомых, развиты особые рецепторы, помогающие им ориентироваться в турбулентном потоке запахов. Кроме того, существуют гипотезы о том, что некоторые виды животных используют комбинацию обоняния и других чувств для более точной навигации. Важно продолжать исследования в этой области, чтобы лучше понять природные механизмы обонятельной навигации и возможно применить их в различных областях, включая робототехнику и медицину.

Новые предложения в начале:

Способность животных ориентироваться по запаху и находить источники запахов поражает человека своей эффективностью. Эта удивительная способность вдохновляет ученых на создание роботов, способных выполнять подобные задачи.

Казалось бы, ориентироваться по запаху проще простого. Нужно только обнюхать воздух вокруг и двинуться в том направлении, где запах ощущается наиболее отчетливо. И так добраться до источника.

Новые предложения в середине:

Однако, несмотря на видимую простоту, этот процесс основан на сложных физических принципах. Например, стратегия поиска по градиенту, или хемотаксис, работает эффективно только при определенных условиях.

Эта стратегия, которую называют поиском по градиенту, или хемотаксисом, неплохо работает, если молекулы вещества достаточно перемешаны в воздухе, что выступает конечной стадией процесса, известного как диффузия.

Новые предложения в конце:

Таким образом, создание роботов, способных эффективно ориентироваться по запаху, представляет собой настоящий вызов для инженеров и ученых. Необходимо не только учесть физические особенности процесса диффузии, но и разработать алгоритмы, позволяющие роботам принимать решения на основе обнаруженных запахов.

Диффузия происходит очень медленно, поэтому тщательное перемешивание может занимать много времени. Тем не менее, понимание этих процессов открывает новые возможности для создания технологий, которые могут изменить нашу жизнь.

Запахи играют важную роль в жизни многих животных, помогая им находить пищу, избегать опасности и находить партнеров для размножения. В естественных условиях запахи обычно распространяются узким, резко очерченным потоком, или шлейфом. Это позволяет животному быстро и точно определить источник запаха и принять решение о дальнейших действиях. Такие шлейфы и запахи, которые они переносят, распространяются гораздо быстрее, чем при диффузии.

Однако, несмотря на преимущества быстрого распространения запахов, турбулентность шлейфов создает сложности для животных при поиске источника запаха. Турбулентное течение делает поиск по градиенту крайне неэффективным, поскольку направление усиления запаха может внезапно измениться. Это означает, что животное может легко запутаться и потерять направление к источнику запаха.

Иногда животные используют различные стратегии для поиска партнера или источника пищи. Например, летающие насекомые, такие как мотыльки, могут применять стратегию "метание и рывок" в поисках партнера. Это называется анемотаксисом, когда они ориентируются по воздушным потокам.

Важно отметить, что каждая ситуация требует своей уникальной стратегии поиска запаха. Если молекулы равномерно распространяются от источника, то он будет расположен в центре облака запаха. Таким образом, животное может просто двигаться в направлении наибольшей концентрации запаха, чтобы найти источник.

В результате эволюции животные развили разнообразные способы ориентирования и поиска, которые помогают им выживать и размножаться в разнообразных условиях окружающей среды.

При поиске пищи или партнера животные используют различные стратегии, включая ориентацию по запаху. В турбулентном шлейфе эта стратегия тоже может работать, когда животное находится близко к источнику (рисунок в центре), несмотря на неравномерную концентрацию запаха. Однако, если животное находится далеко от источника (рисунок внизу), шлейф дробится на отдельные «пакеты», и запах ловится лишь периодически. В этом случае требуется более сложная стратегия поиска, в соответствии с которой животное перемещается каждый раз, когда теряет след.

Когда самец улавливает феромоны самки, он начинает лететь против ветра, а если теряет запах — что вполне вероятно, особенно когда он далеко от самки, — то мечется из стороны в сторону на ветру. Такое поведение позволяет животному максимально эффективно использовать информацию о запахе для нахождения партнера или источника пищи. Интересно, как эволюция формирует такие сложные и адаптивные стратегии поведения у животных, чтобы обеспечить им выживание и размножение.

Некоторые насекомые и млекопитающие используют различные стратегии для нахождения партнера. Например, некоторые насекомые используют стратегию под названием «тропотаксис», или обоняние в стереорежиме: они сравнивают силу запаха на двух усиках и поворачивают в сторону того, на который приходит более сильный сигнал. Это позволяет им находить партнера для размножения.

Когда насекомое находит шлейф, оно возобновляет полет против ветра и повторяет эти действия, пока не увидит самку. Это стратегия, которая помогает им найти партнера для размножения и обеспечить выживание своего вида.

У млекопитающих ноздри обычно расположены ближе друг к другу по сравнению с размером тела, чем усики у насекомых, поэтому они часто применяют стратегию, называемую «клинотаксис»: поворачивают голову, принюхиваясь с одной стороны, потом принюхиваются с другой стороны и поворачивают тело в направлении более сильного запаха. Это требует несколько более высокого уровня познавательных способностей из-за необходимости сохранить воспоминание о последнем вдохе. Таким образом, эти стратегии помогают млекопитающим находить партнера для размножения и обеспечивать выживание их видов.

Исследования в области робототехники продолжают удивлять нас новыми идеями и концепциями. Например, в 2007 году итальянский физик Массимо Вергассола предложил уникальную стратегию для роботов, которые чувствительны к запахам. Эта стратегия, названная "инфотаксис", переносит обоняние в контекст информационной эры.

В отличие от большинства других стратегий, основанных на реакции на запах, в инфотаксисе робот-навигатор использует ранее собранную информацию для создания модели источника запаха. Это позволяет ему определить оптимальное направление движения для максимизации информации об источнике. Такой подход открывает новые возможности для эффективного поиска и навигации в условиях, где запахи играют ключевую роль.

Научные исследования в области робототехники показывают, что роботы могут эффективно перемещаться, используя комбинацию предыдущих знаний и новой информации. Робот будет двигаться либо в сторону наиболее вероятного местонахождения источника (используя предыдущие свои знания), либо в направлении, о котором у него меньше всего информации (добывая дополнительные знания).

Это стратегия позволяет роботу максимизировать ожидаемый прирост информации, что особенно важно в задачах поиска и исследования неизвестных территорий. На ранних стадиях разведка предпочтительнее, но когда навигатор приближается к источнику, лучше работает использование накопленных знаний.

В симуляциях навигаторы, применяющие такую стратегию, двигаются по траекториям, очень похожим на траектории движения мотыльков. Это подтверждает эффективность такого подхода и его сходство с природными механизмами поиска и навигации.

Турбулентность в окружающем пространстве представляет собой сложную и непредсказуемую систему, которую сложно отследить и изучить. В первоначальной версии Вергассолы навигатору нужно было составить мысленную карту окружающего пространства и вычислить математическую величину, называемую энтропией Шеннона, меру непредсказуемости, которая высока в направлениях, неисследованных навигатором, и низка в направлениях, которые он исследовал. Это требовало когнитивных способностей, которыми животные не обладают, что делало их неспособными для таких задач. Однако Вергассола с коллегами разработал новые версии навигаторов, которые не требуют таких умений.

Турбулентность затрудняет отслеживание шлейфов и движение объектов в пространстве. Здесь два красителя, зеленый и красный, впрыснули в турбулентный поток воды (снизу). Турбулентность разбивает траекторию движения цветов на фрагменты, делая их движение непредсказуемым и сложным для анализа. Представьте, что требуется начать с верхней части изображения и проследить за цветными течениями до их источника, но из-за турбулентности это становится сложной задачей.

Турбулентность в природных системах имеет важное значение для понимания процессов перемешивания и передвижения вещества. Изучение турбулентности и разработка методов её анализа помогают улучшить прогнозирование погоды, оптимизировать технологические процессы и лучше понять природные явления.

Тема исследования поведения животных находится в центре внимания ученых уже давно. Но что, если мы выйдем за пределы только качественных исследований и попробуем запрограммировать виртуальное существо? Этот подход позволит более точно определить, какая тактика будет наиболее успешной в различных ситуациях, будь то в воздухе или в воде. Инфотаксис, клинотаксис, тропотаксис, анемотаксис — какое "такси" окажется наиболее эффективным для достижения цели?

Одним из ученых, занимающихся этим направлением исследований, является математик Бард Эрментраут из Питтсбургского университета. Он является членом исследовательской группы Odor2Action, организованной Джоном Кримальди, специалистом по динамике жидкости из Университета Колорадо в Боулдере. С их помощью наши возможности в изучении поведения животных значительно расширяются, открывая новые перспективы для понимания стратегий движения в разных средах. Виртуальные модели позволяют проводить более точные эксперименты и анализировать результаты с большей детализацией, что может привести к открытию новых закономерностей и принципов поведения.

Исследователи активно изучают стратегии поиска животных под водой, а также влияние турбулентности жидкости на эффективность этих стратегий. Например, они проверяют, как мухи справляются со своими стратегиями поиска в водной среде, а также увеличивают турбулентность жидкости, чтобы выяснить, как это влияет на их поведение.

Важно отметить, что современные модели показывают, что при низкой турбулентности как стереообоняние, так и принюхивание эффективны в большинстве случаев. Однако, при этом стоит учитывать, что первый метод лучше работает у животных с широко расположенными сенсорами, в то время как второй - у животных с близко расположенными сенсорами.

Кроме того, при высокой турбулентности ни один из этих подходов не эффективен для моделируемого животного. Это говорит о том, что окружающая среда имеет значительное влияние на эффективность поисковых стратегий животных под водой, и это требует дальнейших исследований и моделирования.

Несмотря на результаты лабораторных экспериментов, которые показывают, что турбулентный шлейф не сильно смущает настоящих мышей, возникает вопрос о возможных дополнительных хитростях этих грызунов, которые нам пока неизвестны. Возможно, наше понимание клинотаксиса слишком упрощено, и есть еще много нюансов, которые мы не учли.

Кроме того, важно помнить, что симуляции могут показать, что животное может делать, но не обязательно отражают реальное поведение. Мы не можем просто спросить у животного: "Какова ваша стратегия?" Это подчеркивает сложность изучения поведения животных и необходимость использования разнообразных методов и технологий.

С другой стороны, высокотехнологичные эксперименты с дрозофилами приближают нас к возможности реализации этой мечты. Использование передовых технологий и методов исследования позволяет нам получать более точные и надежные данные о поведении животных и их стратегиях.

Плодовые мухи, благодаря своей обонятельной системе и простому устройству мозга, являются идеальными объектами для исследования запахов. Их обонятельная система насчитывает около 50 видов рецепторов, что значительно меньше, чем у людей и мышей. Однако их мозг относительно просто устроен, и ученые смогли картировать связи между нейронами в центральном мозге плодовой мухи. Это позволило им создать своеобразную электрическую схему центрального мозга мухи, опубликованную в 2020 году.

Исследователи, включая нейробиолога Кэтрин Нейгел из Нью-Йоркского университета, отмечают, что благодаря новым открытиям теперь возможно детально изучать каждый нейрон и его связи. Ранее мозг считался неким черным ящиком, но с появлением таких данных как коннектом плодовой мухи, исследователи могут легко отслеживать и анализировать эти связи. Это открывает новые возможности для понимания работы обонятельной системы не только у мух, но и у других организмов.

Мухи – удивительные создания, и одна из их загадок заключается в том, что они используют отличную от мотыльков стратегию «метание и рывок». Исследователи обнаружили, что мухи, сталкиваясь со шлейфом запаха, обычно поворачивают к его центральной линии. Это приводит к вопросу: «Как муха определяет местоположение центра шлейфа?».

Оказалось, что ответ на этот вопрос был найден благодаря гениальной комбинации виртуальной реальности и генетически модифицированных мух. В начале 2000-х годов исследователи разработали мух-мутантов с обонятельными нейронами, реагирующими на свет. Это позволило им понять, как мухи определяют центральную линию источника запаха.

Тьерри Эмоне, биофизик из Йельского университета, объяснил, что мухи, найдя центральную линию, скорее всего, окажутся прямо перед источником запаха с наветренной стороны. Это открывает новые возможности для понимания поведения мух и их удивительных способностей.

Исследование запахов стало более увлекательным и доступным благодаря новым методам, разработанным учеными. Как отметил Кларк, теперь у нас есть возможность рассматривать усик как примитивный глаз, что позволяет изучать обоняние так же интенсивно, как изучаем зрение. Это решает одну из крупнейших проблем в этой области исследований.

Обычно невидимый шлейф, на который реагируют животные, становится видимым и доступным для наблюдения. Теперь ученые могут не только увидеть его, но и создавать фильмы с различными ароматами, чтобы изучать реакции животных. Генетически модифицированные мухи способны воспринимать эту виртуальную реальность как запах и реагировать соответственно.

Другая интересная мутация заключается в том, что мухи были сделаны слепыми, чтобы их реальное зрение не вносило путаницы в визуальное восприятие "запаха". Это открывает новые перспективы для более глубокого понимания механизмов обоняния и его взаимодействия с другими чувствами у животных.

Во время экспериментов Кларк и Эмоне решили провести более детальное исследование поведения генетически модифицированных мух в ограниченном пространстве. Они разместили мух в контейнере с двумя измерениями и наблюдали за их перемещениями. После того, как мухи привыкли к новой обстановке, исследователи создали для них визуальный ландшафт запахов в виде движущихся полос. Их целью было выяснить, как мухи будут реагировать на такие изменения.

Удивительным образом, мухи всегда шли навстречу приближающимся полоскам. Это было неожиданно, так как исследователи ожидали, что мухи будут избегать движущихся объектов. Однако, результаты эксперимента показали, что мухи предпочитают двигаться в направлении полос, вместо того чтобы уклоняться от них.

Увлеченные этими открытиями, Кларк и Эмоне решили провести следующий эксперимент. Они предложили мухам более реалистичный ландшафт с завитками и турбулентными водоворотами, скопированными с настоящих шлейфов. Их целью было проверить, насколько точно мухи могут навигироваться в таком сложном окружении.

Удивительно, но мухи смогли успешно добраться до центра ландшафта, несмотря на его сложность. Это свидетельствует о высокой адаптивности и навигационных способностях этих генетически модифицированных мух. Эти результаты могут иметь важное значение для дальнейших исследований в области поведения и навигации насекомых.

Исследователи продолжили свои эксперименты и решили провести проекцию образа шлейфа запаха, но на этот раз в обратном времени. Таким образом, запах распространялся от центра к окружающим объектам в виртуальном пространстве. Этот подход позволил им лучше понять, как мухи реагируют на различные аспекты запахов.

Оказалось, что мухи реагируют на движение "пакетов запаха", как называет их Эмоне, то есть на дискретные группы ароматических молекул. Это открытие привело к новым гипотезам о том, каким образом насекомые ориентируются в пространстве, используя запахи.

Представьте себе, что вы чувствуете запах шашлыка с участка соседа. Сможете ли вы определить, как перемещаются частицы дыма через ваш нос? Скорее всего, это представляется сложным. Однако мухи, как выяснили исследователи, обладают удивительной способностью отслеживать направление движения ароматических молекул, что ранее не удавалось ученым учесть.

Кларк и Эмоне пришли к выводу, что понимание этого механизма может пролить свет на многие аспекты поведения насекомых и их способности ориентироваться в окружающем мире.

Видео демонстрирует удивительные способности мух в ориентации по запахам. Начиная с моделей мух, программируемых на поворот к источнику запаха, и заканчивая генетически модифицированными особями, реагирующими на свет вместо запаха. Это захватывающее видео показывает, как мухи умело следуют за запахами в турбулентных условиях. В первой части видео компьютерные модели мух показывают, как они поворачиваются, чтобы идти прямо к источнику запаха. Это демонстрирует их удивительные способности ориентации в пространстве. Настоящие мухи, генетически модифицированные так, чтобы их клетки реагировали на свет, показаны во второй части видео. Это подчеркивает важность исследований в области мух и их ориентации, а также возможные практические применения этой информации.

Исследования показывают, что мухи обладают удивительной способностью отслеживать движения молекул запаха, что помогает им находить центр шлейфа. Это происходит потому, что в любой момент времени больше молекул движется от центра шлейфа, чем к нему.

Кроме того, ученые отмечают, что количество пакетов на центральной линии больше, чем вдали от нее. Это означает, что в центре шлейфа распространяется много пакетов, а на периферии в сторону центра движется меньше пакетов. Таким образом, мухи используют эту информацию для эффективного поиска пищи.

Эмоне объяснил, что каждый пакет по отдельности имеет одинаковую вероятность перемещения в любом направлении, но в совокупности преобладает движение от центра. Это позволяет мухам уверенно навигироваться по запаховым следам и быстро находить центр шлейфа.

Исследования показывают, что мухи обладают удивительной способностью обрабатывать сенсорную информацию. Ветреная погода представляет для них особый вызов, поскольку их движения зависят от направления воздушного потока и усредненного направления запахов. Этот процесс обработки информации происходит в определенной части мозга мухи, которую называют «веерообразным телом».

Исследователь Нейгел обнаружила, что в мозге мухи существует участок, где происходит обработка сенсорной информации. Она обнаружила, что нейроны, отвечающие за определение направления воздушного потока, взаимодействуют с обонятельными нейронами, определяющими направление запаха, в этой области мозга. Это взаимодействие позволяет мухе определять, в каком направлении двигаться.

Таким образом, процесс обработки сенсорной информации у мух оказывается гораздо более сложным и удивительным, чем предполагалось ранее. Они способны совмещать данные о воздушном потоке и запахах, чтобы принимать решения о своем движении в реальном времени.

Мухи обладают удивительной способностью комбинировать раздражители и реагировать на них. Это позволяет им определять центр шлейфа запаха, наблюдая за направлением движения ароматических молекул. Они буквально производят сложение векторов, что представляет собой векторную сумму, их нейроны выполняют вычисления, аналогичные тем, что учатся делать студенты в колледжах, - отметил Нейгел. Это означает, что мухи обладают высоким уровнем интеллекта и способны анализировать и обрабатывать информацию о запахах на уровне, сравнимом с уровнем студентов в колледжах.

В мозге мухи, веерообразное тело играет ключевую роль в объединении информации о запахе и направлении ветра для определения местоположения источника запаха. Эта сложная нейронная структура, состоящая из тангенциальных и столбчатых нейронов, позволяет мухам эффективно ориентироваться в пространстве и находить пищу.

Исследователи, такие как Нейгел, интересуются возможностью существования аналогичных нейронных структур у других видов насекомых, включая ракообразных. Они задаются вопросом, смогут ли эти структуры выполнять аналогичные функции при различных условиях обитания и поведения.

МакКензи в своей иллюстрации наглядно показывает, как веерообразное тело мухи интегрирует информацию о запахе и направлении ветра. Это помогает понять, какие конкретно механизмы работы этой нейронной структуры могут быть общими для различных видов насекомых и какие адаптации могут существовать у разных видов для успешного обнаружения источников пищи.

Исследования в области коннектома и виртуальной реальности продолжают удивлять нас своими результатами, но остаются многочисленные нерешенные вопросы, требующие дальнейших исследований. Например, каким образом собаки, вроде Ареса, способны отслеживать запах, который одновременно распространяется как по земле, так и по воздуху? Каким образом они решают, когда им следует обнюхивать землю, а когда воздух? Что происходит в процессе самого обнюхивания? Важно отметить, что многие животные активно взаимодействуют с воздушным потоком, а не просто его регистрируют: например, мыши используют свои усы для этой цели. Каким образом они интерпретируют и применяют полученную информацию в своей повседневной жизни?

Биологи, физики и математики уже давно увлечены изучением необычных способностей животных. Например, некоторые виды животных обладают удивительной способностью к самолечению, способности, которые до сих пор вызывают у ученых интерес и удивление. Какими еще нечеловеческими способностями могут обладать животные? Это вопрос, на который пытаются ответить исследователи, в том числе и Дана Маккензи из Naked Science. Необычные способности животных могут пролить свет на многие аспекты нашего мира и помочь нам лучше понять природу и эволюцию животных. Возможно, ответы на эти вопросы приведут к новым открытиям и технологиям, которые изменят наше представление о животном мире.

Источник и фото - ecoportal.su