Откуда мы знаем, что чувствуют животные - 26 Ноября 2015

Говорят, что у определенных животных зрение или обоняние работают лучше, чем у нас – или что они могут улавливать то, что не улавливаем мы, например, магнитные поля. Откуда мы об этом знаем, задается вопросом корреспондент BBC Earth.

Всем известно, что у некоторых животных удивительно развиты органы чувств. У собак гораздо лучше, чем у нас, работает обоняние, а кошки видят в кромешной темноте, когда человеку без фонарика не обойтись.
Некоторые животные даже могут чувствовать такие вещи, в которых мы даже отчета себе не отдаем – например, ультрафиолетовое излучение магнитного поля Земли. Истории о невероятных сенсорных способностях животных постоянно появляются в СМИ. Но откуда мы о них узнаем? Мы ведь не можем спросить рыбу, что она видит.
Ромэйнес подождал, пока его собака не отвлеклась на другую псину, после чего стремительно умчался, петляя по пути
Чтобы это выяснить, требуется немало изобретательности. Вот несколько способов представить себе, каково это – видеть глазами рыбы или нюхать собачьим носом.
Начать стоит с самого простого: можно наблюдать за животным в условиях дикой природы.
Взять хотя бы больших хищных птиц, питающихся падалью, например, грифов.
Они могут увидеть разлагающуюся тушу в кустах, обеспечивающих неплохую маскировку, да еще и с расстояния в несколько километров.
Делаем вывод: грифы способны распознавать мельчайшие подробности предметов.
Собачий нюх
Если же нам необходима более точная информация, можно провести поведенческий опыт. Один из первых подобных экспериментов состоялся в конце XIX века, его автор – английский биолог Джордж Ромэйнес.
Однажды он отправился на прогулку со своей собакой в лондонский Риджентс-парк. У Ромэйнеса явно было озорное настроение, и он решил проверить способности своей собаки.
Ромэйнес подождал, пока его собака не отвлеклась на другую псину, после чего стремительно умчался, петляя на бегу. Когда собака вернулась, она поняла, что хозяин ушел, и немедленно начала обнюхивать землю.
Руководствуясь своим нюхом, собака прошла по его следам, которые вывели ее прямо к дожидавшемуся ее хозяину.
Анатомия органов чувств может многое рассказать о том, как они функционируют
Этот спонтанный эксперимент дает неплохое представление о том, насколько выдающееся у собак обоняние и каким полезным оно может оказаться.
Благодаря последующим экспериментам Джордж Ромэйнес обнаружил, что собаки могут улавливать определенные запахи с очень большого расстояния, даже когда присутствовали другие, более сильные запахи.
Его наблюдения до сих пор регулярно цитируются судмедэкспертами, в том числе и сотрудниками ФБР.
Такие разные уши
Следующий шаг – исследование органов чувств животного.
Анатомия органов чувств может многое рассказать о том, как они функционируют.
Взять, например, человеческие уши. В каждом из них есть ушная улитка: небольшая спиралевидная структура, содержащая тысячи специальных нервных клеток, которые способны улавливать звуки.
Спиралевидная форма улитки дает нам представление о том, каков принцип ее работы: она особенно хорошо улавливает тихие, низкие звуки.
В 2006 году исследователи симулировали прохождение звука по спирали и обнаружили, что низкие частоты усиливались.
Усики насекомых позволяют им нюхать, пробовать, трогать, слышать, определять температуру и чувствовать дуновение ветра
Благодаря этому зафиксировать тихие, низкочастотные звуки человеку оказывается проще, чем, если бы ушной улитки не было.
Аналогичным образом усики (или антенны) насекомых позволяют им нюхать, пробовать, трогать, слышать, определять температуру и чувствовать дуновение ветра.
В ходе эволюции для каждого из этих чувств на усиках появились соответствующие элементы, которые видны под микроскопом.
Дэниел Роберт из Бристольского университета (Британия) занимается изучением того, как насекомые пользуются своими антеннами, чтобы слышать. В 2001 году он совместно с Мартином Гопфертом исследовал усики комаров.
Комары используют усики, чтобы улавливать слышимые вибрации – в том числе в ситуациях, когда неподалеку находится представитель противоположного пола. В их усиках-антеннах – 15-16 тысяч слуховых клеток, поясняет Роберт.
Находясь в звуконепроницаемой капсуле, Роберт и Гопферт направили очень тонкий лазерный луч на антенну комара. К своему удивлению, они обнаружили, что даже в полной тишине антенна слегка вибрировала, с частотой примерно 440-450 Гц. Получается, слуховые клетки практически всегда находятся в движении.
Никто раньше не видел ничего подобного
Когда начинается звуковая волна, слуховые клетки начинают двигаться синхронно с ней, усиливая звук. В результате комар начинает лучше слышать звук.
Клетки "добавляют слабый импульс нужной им частоты, - говорит Дэниел Роберт. - В некоторых случаях это дает возможность усилить звук в 10 или даже 100 раз".
Роберт использовал похожую микроскопическую методику для исследования ушей кузнечиков, расположенных на их передних конечностях ниже колена.
Сделав микротомографию этих крошечных ушей, Роберт и его коллеги обнаружили, что внутри них действует "рычажная система", реагирующая на вызванные звуком вибрации. Опять же, это усиливает эффект звуковых волн.
"Никто раньше не видел ничего подобного", - утверждает исследователь. - У некоторых глубоководных рыб в сетчатке есть только палочки"
По мере прохождения вибраций сквозь ухо кузнечика они попадают в небольшое отверстие, заполненное жидкостью и прикрывающее сенсорные нейроны, которые улавливают звук.
Дэниелу Роберту удалось это выяснить при помощи лазера, фиксирующего микродвижения, и динамика, издающего звуки для насекомых.
"Высокие частоты звука, который мы транслировали, создавали мощные вибрации в местах контакта – таких, как наша ушная улитка, - объясняет он. - Низкие частоты проходили дальше, к другим клеткам, расположенным ниже". В человеческом ухе происходят аналогичные процессы.
Кто как видит?
Чтобы узнать больше, мы можем обратиться не только к анатомии, но и к особенностям отдельных клеток органов чувств.
У некоторых глубоководных рыб в сетчатке есть только палочки, в отличие от человека – в нашей сетчатке представлены и палочки, и колбочки.
Это дает нам представление о том, как они видят. Колбочки нужны для цветного зрения, поэтому отсутствие их у рыб говорит об их неспособности распознавать цвета.
Именно так мы узнали о том, что зрение собак не приспособлено для восприятия цветной информации.
Представители семейства кошачьих – и дикие львы, и домашние кошки – неспособны почувствовать вкус сладкого
У них всего два вида колбочек, а у человека их три. В результате они отличают желтые и синие оттенки, но не видят красных и зеленых тонов.
Человек использует палочки, чтобы видеть в тусклом свете.
У глубоководных рыб они "невероятного размера", рассказывает Рон Дуглас из Лондонского городского университета (Британия).
Это позволяет им уловить как можно больше доступного им света и видеть практически в темноте.
Запах и вкус
Аналогичный подход можно применить к обонянию и вкусу.
Так, ученые подсчитали количество обонятельных рецепторов в собачьих носах. У бладхаунда их более 200 миллионов, а у человека – лишь 5-6 миллионов. Вот и еще одно подтверждение того факта, что собачье обоняние превосходит наше.
Еще одно исследование, проводившееся в 2006 году, показало, что на кошачьих языках отсутствуют вкусовые рецепторы, реагирующие на сладкое.
Получается, что представители семейства кошачьих – от диких львов и тигров до домашних мурок – неспособны почувствовать сладость еды.
По человеческим меркам обоняние плодовых мушек можно назвать ограниченным
Не вполне понятно, почему так получилось, однако кошачьи известны своими плотоядными привычками, поэтому сладкие вкусы в их рационе встречаются не слишком часто.
Напротив, плодовые мушки располагают обонятельными рецепторами, которые отлично улавливают фруктовые запахи, но не улавливают практически ничего другого.
По человеческим меркам их обоняние можно назвать ограниченным, однако оно хорошо приспособлено к их потребностям.
Сенсорные способности животных не исчерпываются их слухом, зрением и обонянием. Можно также отследить, как сенсорные сигналы проходят по нервной системе животного в мозг.
Для этого ученые используют электрофизиологическое тестирование. В глаз или мозг животного помещается крошечный электрод, который улавливает мельчайшие импульсы от органов чувств.
Один из ключевых вопросов – насколько хорошо животное видит быстрые вспышки света. По словам Рона Дугласа, таким образом определяется его способность улавливать движение.
Они, куры, чувствуют себя так, будто живут на дискотеке
Человеческий глаз может увидеть до 50 вспышек света в секунду. Если частота вспышек увеличивается, человеку кажется, что включен постоянный свет. Так, лампы дневного света мигают более 100 раз в секунду, однако мы этого уловить не можем.
Другие животные более чувствительны к мерцающему свету. Например, некоторые куры способны видеть около 100 вспышек света в секунду, поэтому использование флуоресцентного света в их клетках проблематично.
"Они чувствуют себя так, как будто живут на дискотеке, - говорит Дуглас. - Очевидно, происходит нарушение прав животных".
Гены и мозг
Кроме того, есть еще и сам мозг.
"Гены определяют, насколько у животного развиты обоняние, зрение, слух и вкус"
Функциональная магниторезонансная томография (ФМРТ) позволяет узнать, когда активизируется тот или иной участок мозга. Для этого отслеживаются изменения кровообращения и уровня кислорода в крови.
Организм стремится обеспечить приток насыщенной кислородом крови к нейронам, которые задействованы органами чувств.
Именно так мы узнали о том, что в собачьем мозге есть конкретные участки, обрабатывающие сложную информацию, которая связана с запахами.
В 2015 году было опубликовано исследование, согласно которому активность собачьего мозга отличается в зависимости от того, знакомый или незнакомый человеческий запах учуяла собака.
Наконец, следует изучить ДНК животного.
Все аспекты органов чувств животного, от их устройства до количества рецепторов и активности мозга, в конечном итоге определяются его генами.
Гены определяют, насколько у животного развиты обоняние, зрение, слух и вкус.
Некоторые животные могут улавливать вещи, которых мы в принципе не можем почувствовать
Это означает, что мы можем узнать многое об органах чувств животного, опираясь исключительно на информацию об его ДНК.
В 2014 году исследователи тщательно изучили геномы 13 видов животных, пытаясь обнаружить гены, которые отвечают за обоняние.
У африканских слонов оказалось больше генов, связанных с обонянием, чем у любого другого животного, изученного на тот момент.
Мы не знаем, на что конкретно влияет большая часть из этих двух тысяч генов, однако сама цифра наводит на мысль, что слоновьи носы необыкновенно хорошо оснащены.
И еще один момент. До сих пор нас интересовало изучение тех сенсорных способностей животных, которыми обладает и человек.
Однако некоторые животные могут улавливать вещи, которых мы в принципе не можем почувствовать.
Оказывается, некоторые существа способны видеть формы света, невидимые для человеческого глаза.
Что недоступно человеку
Например, множество животных видят ультрафиолетовое излучение, длины волн которого находятся в интервале от 10 до 400 нанометров.
Мы можем выяснить, видит ли животное свет с той или иной длиной волны, если проверим, проходит ли он через хрусталик его глаза.
Для пчел это своего рода посадочные огни
Хрусталик здорового человека блокирует ультрафиолетовое излучение, поэтому мы его не видим. Однако целому ряду представителей животного мира ультрафиолет помогает видеть при тусклом свете, отмечает Рон Дуглас.
Некоторые поверхности отражают лишь ультрафиолетовый свет, в результате чего большинство людей их не видят, в отличие от животных.
Например, существуют цветочные лепестки с полосами отражающего ультрафиолет материала, привлекающие насекомых-опылителей.
"Медоносная пчела увидит эти отметки, которые указывают ей на расположение нектара, - говорит Дуглас. - Для пчел это своего рода посадочные огни".
Пчелы действительно следуют таким "нектарным указателям", благодаря которым они собирают пыльцу и могут впоследствии опылить другие цветы. Получается, система работает как для цветов, так и для пчел.
У животных есть еще более странные сенсорные способности, однако ученые нашли способ изучить и их.
Например, мы знаем, что перелетные птицы чувствуют магнитное поле Земли. Закономерности их перелетов меняются в соответствии с тем, как перемещаются магнитные полюса планеты.
Некоторые акулы больше других полагаются на электрорецепцию
Как именно они это делают, пока остается загадкой.
Существует гипотеза, согласно которой клетки в их глазах реагируют по-разному в зависимости от ориентации птицы по отношению к магнитному полю – то есть птицы так или иначе способны "видеть" магнитное поле.
Кроме того, акулы улавливают электрические поля. У них есть специальные электрорецепторы – фактически это поры, которые наполнены проводящим небольшой электрический разряд гелем.
Животное электричество
Растущие в порах волоски движутся, когда гель заряжен, и отправляют, таким образом, сигнал в мозг акулы.
"Речь о мельчайших электрических импульсах", - объясняет Райан Кемпстер из Университета Западной Австралии в Перте. Однако даже они помогают акуле определить местонахождение небольшой жертвы, находящейся вне поля зрения.
"Если визуально отследить жертву не вышло, акула способна уловить это мельчайшее биоэлектрическое поле и получить представление о том, где может находиться потенциальная добыча", - говорит исследователь.
Австралийская бычья акула Image copyright Tom McHugh SPL
Image caption Австралийская бычья акула (Heterodontus portusjacksoni)
Кемпстер обнаружил, что некоторые акулы больше других полагаются на электрорецепцию.
Так, у австралийской бычьей акулы всего несколько сотен электрорецепторов, в то время как у молотоголовой акулы их бывает до трех тысяч.
От подобных исследований иногда бывает неожиданная выгода.
Никогда не знаешь, какой поворот примет исследование
Изучая электрочувствительность акул, ученые собрали данные, которые могут способствовать разработке электродов для отпугивания акул.
Их можно установить на популярных пляжах, чтобы обеспечить безопасность купающихся.
"Учитывая их способность улавливать крайне слабые электрические поля при помощи своей электросенсорной системы, они покинут зону воздействия любого неприятного электрического импульса задолго до того, как он сможет нанести им хоть какой-то ущерб", - считает Райан Кемпстер.
А исследования Дэниела Роберта в области слуха насекомых влияют на разработку новых модификаций слуховых аппаратов.
Однажды Рон Дуглас выяснил, что сетчатка определенных глубоководных рыб содержит хлорофилл. Это открытие способствовало созданию капель от ночной слепоты.
"В своей работе я руководствовался не этим, а исключительно интересом к тому, что видят животные, - поясняет Дуглас. - Однако никогда не знаешь, какой поворот примет исследование. Какой-то левый парень – я, то есть – изучил глаза глубоководной рыбы, и вот благодаря этому наука сделала пару шажков вперед, которые могут помочь человечеству".
Многообразие органов чувств у животных говорит нам о том, что эволюция живых организмов позволила им наиболее полно взаимодействовать с окружающей средой.
Мы никогда не сможем увидеть мир глазами кондора или услышать то, что слышит комар, но мы можем закрыть на минуту глаза и хотя бы попробовать это себе представить.