Определить источник клубящихся шлейфов аромата не так-то просто. С помощью умных экспериментов и компьютерного моделирования ученые пытаются понять, какие стратегии используют разные организмы для этого. Мы публикуем статью об этом в журнале Knowable.
2 октября 2022 года, через четыре дня после того, как ураган «Иан» пронесся по Флориде, ротвейлер-спасатель по кличке Арес бродил по опустошенным улицам Форт-Майерса. Наконец пришло время тренировок. Почувствовав запах, исходящий от разрушенных домов, Арес бросился в развалины. Проводник последовал за ним, тщательно ища выход среди руин.
Они нашли мужчину, который провел два дня в ванной, где обрушился потолок. В этом урагане, одном из сильнейших во Флориде, погибло около 150 человек, но этот счастливчик выжил, потому что Арес смог определить источник запаха.
Мы часто считаем само собой разумеющимся способность собаки найти человека, похороненного под завалами, способность мотылька следовать по запаху, чтобы найти себе пару, или способность комара чувствовать запах углекислого газа, который мы выдыхаем. Однако ориентироваться по запаху не так просто, как кажется, и ученые еще не совсем выяснили, как это делают разные существа.
«Проблему усложняет то, что, в отличие от света или звука, запахи не распространяются по прямым линиям», — объясняет гарвардский биофизик Гаутам Редди, автор исследования «Как животные обнаруживают источник запахов», опубликованного в Ежегодном обзоре конденсированной материи за 2022 год. Физика.
Проблема становится очевидной, если посмотреть на сигаретный дым. Сначала он поднимается, двигаясь по более или менее прямой траектории, но вскоре начинает хаотично колебаться и вращаться в процессе, называемом турбулентностью. Как животные возвращаются к своему источнику по такому извилистому маршруту?
За последние несколько десятилетий появились новые высокотехнологичные инструменты — от генетической модификации до виртуальной реальности и математических моделей, позволяющие нам изучать обонятельную навигацию несколькими совершенно разными способами. Стратегия, которую использует животное, и ее успех зависят от многих факторов, включая размер животного, когнитивные способности и степень турбулентности шлейфа запаха.
Однажды эти знания помогут ученым разработать роботов для выполнения задач, которые сейчас возлагаются на животных: собаки ищут пропавших людей, свиньи ищут трюфели, а крысы иногда ищут мины.
Кажется, ориентироваться по запаху так же легко, как почистить грушу. Вам просто нужно понюхать воздух вокруг себя и двигаться в том направлении, где запах наиболее заметен. Поэтому нам нужно отследить источник.
Эта стратегия, называемая поиском градиента или хемотаксисом, хорошо работает, если молекулы вещества хорошо перемешаны в воздухе (завершающая стадия процесса диффузии). Но диффузия происходит очень медленно, поэтому тщательное перемешивание может занять длительное время.
В естественных условиях запахи обычно распространяются узкими прозрачными потоками или шлейфами. Эти шлейфы и запахи, которые они несут, распространяются гораздо быстрее, чем диффузия. В каком-то смысле это хорошая новость для хищников, у которых нет возможности часами выслеживать свою жертву. Но новости не всегда хорошие: шлейфы запахов почти всегда турбулентны, а турбулентность делает поиск градиентов крайне неэффективным. Направление усиленного запаха может в любой момент быть направлено в сторону от источника.
Животные могут использовать множество других стратегий. Например, летающие насекомые, такие как мотыльки, используют стратегию «бросок и рывок», чтобы найти себе пару. Это форма эотропизма, то есть направленности воздушных потоков.
Когда самец обнаруживает феромоны самки, он начинает лететь против ветра, и если он потеряет свой запах — что вполне вероятно, особенно если он находится далеко от самки — он будет летать из стороны в сторону на ветру. Когда он снова находит поезд, он продолжает лететь против ветра и повторяет эти маневры, пока не увидит самку.
Некоторые наземные насекомые используют стратегию, называемую тропизмом или стереоосмезисом: они сравнивают интенсивность запаха на двух усиках, а затем переключаются на те усики, которые получают более сильный сигнал. Ноздри млекопитающих, как правило, расположены ближе друг к другу относительно размера тела, чем усики насекомых, поэтому они часто используют стратегию, называемую «обнюхиванием»: поворачивают голову в одну сторону, чтобы обнюхать, затем в другую и поворачивают тело в одну сторону. Более направленный аромат. Это немного более требовательно к когнитивным функциям из-за необходимости сохранить память о своем последнем вздохе.
Роботы, чувствующие запахи, могут использовать другую стратегию, которую сама природа, возможно, никогда не придумает. В 2007 году итальянский физик Массимо Вергассола из Высшей нормальной школы в Париже предложил стратегию под названием «информационное такси», позволяющую поместить обоняние в контекст информационной эпохи.
Большинство других стратегий являются реактивными, но в «Информационном такси» навигатор использует ранее собранную информацию для создания мысленной модели того, где наиболее вероятно находится источник запаха. Затем он начинает двигаться в том направлении, где может получить больше информации об источнике.
Робот будет двигаться к наиболее вероятному местоположению источника (используя свои предыдущие знания) или к направлению, в котором у него меньше всего информации (получение дополнительных знаний). Его цель — найти комбинацию этих двух параметров, которая максимизирует ожидаемый прирост информации. На ранних стадиях исследование — лучший вариант, но по мере приближения навигатора к источнику лучше использовать накопленные знания. В симуляциях навигаторы, использующие эту стратегию, двигались по траекториям, очень похожим на траектории мотыльков.
В оригинальной версии Вергасолы штурман должен был мысленно составить карту пространства вокруг себя и вычислить математическую величину, называемую энтропией Шеннона, мерой непредсказуемости неизведанных навигатором направлений. Высшие, исследованные направления — нижние. Для этого могут потребоваться когнитивные способности, которыми животные не обладают. Но Вергасола и его коллеги разработали новые версии, не требующие таких навыков.
Инфотакси, клинотаксис, тропотаксис, анемотаксис.. какое такси первым доставит вас к месту назначения? Один из способов понять это — выйти за рамки качественных исследований поведения животных и запрограммировать виртуальных существ. Тогда можно определить, насколько успешны различные стратегии в разных ситуациях, будь то в воздухе или в воде.
«Наши возможности значительно возрастают», — говорит Бард Эрментраут, математик из Университета Питтсбурга и член Odor2Action, исследовательской группы из 72 человек, организованной Джоном Кримальди, экспертом по гидродинамике из Университета Колорадо, Боулдер.
Например, исследователи могут проверить, насколько хорошо стратегия мухи работает под водой, или увеличить турбулентность жидкости, чтобы увидеть, когда конкретная стратегия поиска начинает давать сбой.
Моделирование на данный момент показывает, что в условиях низкой турбулентности стереоскопическое обоняние и обоняние эффективны в большинстве ситуаций — хотя, как и ожидалось, первое лучше работает у животных (насекомых) с датчиками, которые расположены дальше друг от друга, чем второе лучше работает у животных (млекопитающих), где датчики расположены близко). При высокой турбулентности оба метода неэффективны для моделируемых животных.
Однако лабораторные эксперименты показывают, что настоящих мышей турбулентные шлейфы не слишком беспокоят. Это говорит о том, что у этих грызунов могут быть какие-то дополнительные хитрости, о которых мы не знаем, или что наше описание предрасположенностей слишком упрощено.
Более того, моделирование может показать, что может делать животное, но не обязательно, что оно будет делать. У нас не было возможности спросить его: «Какова ваша стратегия?» Однако высокотехнологичные эксперименты с дрозофилами делают эту мечту более реалистичной.
Мухи-дрозофилы идеально подходят для изучения запахов по ряду причин. Их обонятельная система имеет около 50 рецепторов (400 у человека и более 1000 у мышей). Их мозг относительно прост, и связи между нейронами в центральном мозге нанесены на карту: в 2020 году ученые опубликовали коннектом плодовой мухи, своего рода электрическую карту ее центрального мозга.
«Вы можете посмотреть на любой нейрон и увидеть, с чем он связан», — сказала Кэтрин Нагель, нейробиолог из Нью-Йоркского университета и член команды Odor2Action. Мозг когда-то считался черным ящиком, но теперь такие исследователи, как Нагель, могут легко обнаружить эти связи.
Одна из загадок заключается в том, что мухи, по-видимому, используют другую версию стратегии «бросок и рывок», чем мотыльки.
«Мы заметили, что мухи склонны отклоняться к центральной линии, когда сталкиваются со шлейфом запаха», — объясняет биофизик Йельского университета Тьерри Эмоне. Как только они находят центральную линию, источник, вероятно, находится очень близко с наветренной стороны прямо перед ними.
Возник вопрос: «Откуда муха знает, где находится центр шлейфа?» Ответ Эмона и его коллеги Дэймона Кларка, физика, чья лаборатория расположена по соседству, представлял собой умную комбинацию виртуальной реальности и генетически модифицированных мух. В начале 2000-х годов исследователи разработали мутантных плодовых мух с обонятельными нейронами, реагирующими на свет.
«Это превращает усики в примитивные глаза, поэтому мы можем изучать обоняние так же, как изучаем зрение», — сказал Кларк.
Это решает одну из самых больших проблем в исследовании запахов. Часто следы реакции животного незаметны. Теперь его можно не только посмотреть, но и воспроизвести фильм любого набора ароматов. Генетически модифицированные мухи будут воспринимать эту виртуальную реальность как запах и реагировать соответствующим образом. Другая мутация ослепляет дрозофил, чтобы их истинное зрение не нарушалось визуальными «запахами».
В ходе своих экспериментов Кларк и Эмоне поместили генетически модифицированных плодовых мух в контейнер, в котором их движение было ограничено в двух измерениях. Когда мухи адаптировались к новой среде обитания, исследователи создали для них визуальный ландшафт запахов в виде движущихся полос. Оказывается, мухи всегда движутся в сторону приближающихся полосок.
Затем Кларк и Эмоне придали мухам более реалистичный пейзаж с завитками и турбулентными водоворотами, имитирующими настоящие перья. Муха способна успешно достичь центра. Наконец, исследователи спроецировали изображения того же шлейфа, но с обратным временем, так что запахи в виртуальном шлейфе распространялись к центру, а не от него. С реальными запахами такой эксперимент был бы невозможен. Муха запуталась в следе и покинула центр.
Кларк и Эмоне пришли к выводу, что мухи, по-видимому, отслеживают движение «пакетов запаха» — термина Эмона для обозначения дискретных групп молекул запаха. Представьте себе: когда вы чувствуете запах барбекю вашего соседа, можете ли вы определить, движутся ли частицы дыма, проходящие через ваш нос, слева направо или справа налево? почти нет. Но мухи могут – на что исследователи раньше не обращали внимания.
Как способность отслеживать движение молекул запаха помогает мухам находить центр шлейфа? Дело в том, что в любой момент времени от центра шлейфа движется больше молекул, чем к нему.
«Количество пакетов на центральной линии больше, чем количество пакетов вдали от центральной линии. Следовательно, многие пакеты перемещаются в центре, а меньше пакетов перемещаются по периферии к центру. Каждый пакет индивидуально движется в любом направлении. Вероятности все одинаковы, но в целом доминирует движение от центра», — объясняет Эмоне.
На самом деле процесс, с помощью которого плодовые мухи обрабатывают поступающую сенсорную информацию, чрезвычайно сложен. В ветреные дни движение этих двукрылых насекомых представляет собой комбинацию двух направлений: направления воздушного потока и среднего направления, в котором движутся ароматические пакеты.
Получив коннектом плодовых мух, Нагель обнаружил один из участков мозга, необходимый для этой обработки. Нейроны мухи, распознающие ветер, пересекаются с обонятельными нейронами, направляющими запахи, в области мозга, которую называют «телом веера». Вместе два набора нейронов сообщают мухе, в каком направлении двигаться.
Другими словами, насекомые не только реагируют на раздражители, но и комбинируют их. Поскольку каждый набор направлений математически эквивалентен вектору, их комбинация представляет собой векторную сумму. Нагель добавил, что, возможно, плодовые мухи действительно выполняют сложение векторов. Если это так, то их нейроны выполняют те же вычисления, которым учатся студенты колледжей.
Нагель планирует искать подобные нейронные структуры в мозге ракообразных. «Запахи совершенно разные, принципы движения разные, но эта сложная центральная область одна. Делают ли они то, что делают мухи?» — один вопрос задали исследователи.
Эксперименты с коннектомами и виртуальной реальностью дают захватывающие результаты, но на многие вопросы еще предстоит ответить. Как такие собаки, как Арес, отслеживают запахи, которые частично исходят от земли, а частично переносятся по воздуху? Как они распределяют свое время между обнюхиванием земли и обнюхиванием воздуха? Как на самом деле работает обнюхивание? Многие животные активно мешают движению воздушного потока, а не просто пассивно следуют за ним: крысы, например, шевелят усами. Как они используют полученную информацию?
Какие еще нечеловеческие способности есть у животных? Биологи, физики и математики, вероятно, еще долго будут искать ответы на эти вопросы.
Дана Маккензи