В фантастическом фильме «Хищник» инопланетный насекомоподобный охотник помимо зрения в оптическом диапазоне использовал и другие режимы, в том числе инфракрасный, то есть применял тепловизор. Как оказалось, некоторые земные существа обладают такими и даже бо́льшими способностями.
Комары и лягушки-быки, так же как и пришелец с другой звёздной системы, могут воспринимать невидимые человеку, более длинные инфракрасные электромагнитные волны. Ямкоголовая гадюка имеет для этого вообще дополнительный орган – лореальные ямки (ямчатые датчики), что позволяет ей сочетать обычное зрение с регистрацией изменений тепла в окружающей среде. Золотые рыбки ещё более расширили свои зрительные возможности – в дополнение к видимому и инфракрасному спектру, они распознают объекты и в ультрафиолетовом диапазоне.
Другие живые организмы довели до совершенства восприятие уже не электромагнитного излучения, а механических звуковых волн. Летучие мыши и дельфины славятся своей эхолокацией, крайне эффективно задействуя ультразвуковой радар. А относительно недавно было установлено, что птицы для навигации в своих длительных перелётах применяют магниторецепцию, то есть, по сути, видят линии магнитного поля Земли.
И на первый взгляд открытие того, что обитатель пресноводных водоёмов Центральной и Западной Африки, рыба-слон (Gnathonemus petersii) использует электрический ток, чтобы определить местонахождение добычи и потенциальных партнёров на илистом дне реки не выглядит уже чем-то совсем удивительным. А вот то, что эта забавная рыбка с удлинённым ртом, похожим на хобот, имеет самое большое соотношение массы и потребления кислорода между мозгом и телом среди всех известных позвоночных – около 0,6, заставляет задуматься. Зачем ей нужен такой большой мозг, и на что тратятся огромные энергетические ресурсы?
Нильский слоник (как ещё называют эту рыбку) имеет специализированный орган в хвосте, излучающий слабое электрическое поле, которое импульсами распространяется от его тела, а крошечные рецепторы на коже обнаруживают искажения поля в водной среде. Эти искажения создают «электрическое изображение» – двухмерное представление обнаруживаемого объекта в виде тени, отбрасываемой на кожу рыбы. Но исследователи не были уверены, как нильские слоники использовали эту двухмерную карту для восприятия трёхмерного мира.
Согласно результатам нового исследования, опубликованным в журнале Animal Behaviour, ответ заключается в том, что слононосая рыба исполняет своеобразный танец в воде. При движении рыба испускает электрические импульсы, а затем принимает сигналы, интегрируя электрическую информацию в удобную карту местности. Вращаясь, она получает изображения объектов под несколько разными углами. Сложенных вместе полученных электрических изображений становится достаточно, чтобы различать и распознавать трёхмерные объекты в водной среде.
«Рыбы намного умнее, чем люди изначально думают», – отмечает Сара Скилс, исследователь когнитивных способностей и поведения животных в Оксфордском университете. По словам Скилс, несмотря на свой осторожный характер, слононосая рыба любознательна и известна своим странным исследовательским поведением. Когда рыба встречает незнакомый объект, она может покачивать головой, поворачивать шнауценорган или плыть назад к объекту и трясти электрически заряженным хвостом. Иногда она даже демонстрирует «лунную походку», совершая «своего рода гребущие движения назад», что очень необычно для рыб, – говорит Скилс.
Шнауценорган – мясистый выступ на подбородке рыбы с большим количеством электрорецепторов функционально представляющий собой нечто среднее между хоботом слона и антенной. Он используется для манипулирования объектами, когда рыба копается в иле русла реки в поисках пропитания, но главная функция этого органа – детекция изменений электрического поля.
Скилс хотела выяснить, помогают ли эти движения нильскому слонику воспринимать окружающую среду, поэтому она попыталась лишить рыбу места для манёвра, чтобы посмотреть, повлияет ли это на её способность различать объекты. Она провела серию длительных экспериментов с шестью слононосыми рыбами Питерса по поискам определённого объекта в бассейне за двумя сетчатыми дверями, пропускающими воду и электрические поля. После того как каждая рыба прошла тренировочные испытания, она могла за считанные секунды выбрать дверь, ведущую к заданному объекту с точностью в 93%.
Затем Скилс, используя сетчатые барьеры, постепенно сужала камеры перед дверями, чтобы у рыбы было меньше места для манёвра. И чем теснее было помещение, тем хуже становились показатели рыбы по распознаванию объекта. Не имея достаточно места для движений, рыбы стали часто покачивать головой и активно сканировать пространство своим шнауценорганом. Их точность определения местоположения объекта упала до 71%, и требовалось гораздо больше времени, чтобы принять решение – иногда порядка нескольких минут. По словам Скилс, наблюдался «такой уровень нерешительности, которого вы не увидите ни в каких других исследованиях».
Десятилетия исследований рыбы Петерса уже дали впечатляющие результаты в создании технических устройств. Команда из Боннского университета в Германии, в которую входил профессор сенсорной экологии, Герхард фон дер Эмде, на основе данных полученных при изучении слононосой рыбы, разработала подводную камеру, которая генерирует собственные электрические изображения на основе слабых электрических полей. А компьютерные инженеры в Турции создали то, что они называют «электрической оптимизацией рыбы» – алгоритм, базирующийся на электролокации и электросвязи рыб-слонов.
Неудивительно, что у слононосой рыбы самое высокое соотношение массы мозга к телу среди всех позвоночных животных, – отмечают исследователи. «То, что они делают, настолько сложно, что мы не можем смоделировать это с помощью наших лучших компьютеров», – утверждает Стефан Муха, учёный, изучающий слабоэлектрическую рыбу Петерса в Берлинском университете имени Гумбольдта. – Но это всего лишь маленькая рыбка!»
А совсем недавно учёные обнаружили, что эти рыбки могут обладать коллективным зрением. В статье, опубликованной в журнале Nature, группа исследователей обнаружила, что слононосые рыбы способны улавливать электрические сигналы своих пульсирующих собратьев, собирая воедино картинку окружающей среды. Это значительно расширяет перцептивные возможности рыб, помогая им чувствовать добычу и потенциальных врагов на большем расстоянии.
«Мы были рады увидеть, что электрические разряды других рыб – это не просто фоновый шум», – говорит Натаниэль Сотелл, нейробиолог из Колумбийского университета и соавтор новой статьи. – Рыбы на самом деле используют импульсы, испускаемые соплеменниками, в своих целях».
Нильские слоники излучают электрические разряды в окружающую среду подобно тому, как летучие мыши и дельфины используют звуковые волны, а когда сигналы отражаются от близлежащих объектов, крошечные электрорецепторы в их коже улавливают искажения электрического поля. Чтобы узнать больше о том, как на слононосых рыб влияют электрические сигналы друг друга, Сотелл объединился со своим научным сотрудником, докторантом Федерико Педраха, для проведения компьютерного моделирования. Их целью было выяснить, как меняется электрическая среда, когда несколько слононосых рыб оказываются близко друг к другу.
Исследователи обнаружили, что слононосые рыбы способны настраиваться на электрические импульсы своих соседей. Когда одна рыба создала электрическое изображение близлежащего объекта, другая рыба в симуляции смогла мгновенно уловить визуальное ощущение того, что почувствовала первая. Если группа из трёх слононосых рыб приблизится к одному и тому же объекту, рыбы получат немного разные его электрические изображения практически в одно и то же время, что позволит им «видеть» своё окружение более детально. Оказалось, что за счёт командной работы рыба расширяет диапазон своего восприятия почти в три раза.
«Используя импульсы других рыб, человек может видеть электрические свойства объектов гораздо дальше, – предполагает Соутелл. – Электрические поля резко падают с расстоянием, поэтому, если электрическое поле будет генерироваться другим, находящимся поблизости животным, это может значительно расширить диапазон его восприятия». Люди использовали аналогичную стратегию для совершенствования радара, который более точно обнаруживает удалённые объекты, когда электромагнитные импульсы движутся между несколькими излучателями и приёмниками.
Исследователи подкрепили результаты своего моделирования записями нейронной активности слононосой рыбы. Они обнаружили, что область огромного мозга животных, которая контролирует электросенсорную систему, способна настраиваться как на собственные сигналы, так и на внешние электрические токи, включая импульсы других рыб. Команда учёных так же изучала, как вели себя слононосые рыбы, когда их помещали вместе в аквариумы. Исследователи наблюдали рыб, выстраивающихся прямыми или перпендикулярными формациями. Согласно компьютерной модели, эти позиции помогают максимизировать возможности коллективного восприятия.
Хотя это первый известный пример коллективного зрения у электрических рыб, скорее всего, не последний, – говорит Скилс. Она отмечает, что существуют сотни других видов электрических рыб, в том числе несколько очень социальных. Например, исследователи недавно обнаружили, что электрические угри могут охотиться стаями и синхронизировать свои удары, чтобы оглушить добычу. Она считает вполне вероятным, что своего рода коллективное зрение может быть «фундаментальным элементом сенсорного восприятия мира электрическими рыбами».
По мнению Соутелла и Педраджи, коллективное зрение слононосых рыб может помочь учёным разработать технологии искусственного зондирования в таких вещах, как подводные аппараты. Но сначала исследователям необходимо получить более подробное представление о том, что происходит в нейронных сетях этих причудливых рыб. «Мы пока не знаем, как мозг этих рыб на самом деле обрабатывает эти сложные потоки информации», – говорит Соутелл. – И мы бы хотели понять, как эволюция на протяжении многих миллионов лет настраивала мозг этих рыб для решения данной проблемы».
Другие материалы по теме «Загадки биосферы»:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов, и теперь статьи канала Intellectus увидят только его подпиcчики. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.