Звідки ми знаємо, що відчувають тварини?

Кажуть, що у певних тварин зір чи нюх працюють краще, ніж у нас – або що вони можуть уловлювати те, що не вловлюємо ми, наприклад, магнітні поля. Звідки ми про це знаємо, запитує кореспондент BBC Earth.

Всім відомо, що деякі тварини дивовижно розвинені органи почуттів.

У собак набагато краще, ніж у нас, працює нюх, а кішки бачать у непроглядній темряві, коли людині без ліхтарика не обійтися.

Деякі тварини навіть можуть відчувати такі речі, в яких ми навіть звіту собі не віддаємо – наприклад ультрафіолетове випромінювання магнітного поля Землі.

Автор фото, Guy Edwardes

Історії про неймовірні сенсорні здібності тварин постійно з'являються в ЗМІ. Але звідки ми про них дізнаємось? Адже ми не можемо запитати рибу, що вона бачить.

Щоб з'ясувати, потрібно чимало винахідливості. Ось кілька способів уявити собі, як це бачити очима риби або нюхати собачим носом.

Почати варто із найпростішого: можна спостерігати за твариною в умовах дикої природи.

Взяти хоча б великих хижих птахів, які харчуються падалью, наприклад, грифів.

Вони можуть побачити тушу, що розкладається, в кущах, що забезпечують непогане маскування, та ще й з відстані в кілька кілометрів.

Робимо висновок: грифи здатні розпізнавати найдрібніші подробиці предметів.

Собачий нюх

Якщо нам потрібна точніша інформація, можна провести поведінковий досвід. Один із перших подібних експериментів відбувся наприкінці XIX століття, його автор – англійський біолог Джордж Ромейнес.

Якось він вирушив на прогулянку зі своїм собакою до лондонського Ріджентс-парку.Ромейнес явно мав пустотливий настрій, і він вирішив перевірити здібності свого собаки.

Автор фото, Anders Printz CC by 2.0

Ромейнес почекав, поки його собака не відволіклася на іншу псину, після чого стрімко помчав, петляючи на бігу.

Керуючись своїм нюхом, собака пройшов його слідами, які вивели її прямо до господаря, що чекав її.

Цей спонтанний експеримент дає непогане уявлення про те, наскільки видатний у собак нюх і яким корисним він може виявитися.

Завдяки подальшим експериментам Джордж Ромейнес виявив, що собаки можуть вловлювати певні запахи з дуже великої відстані, навіть коли були інші, сильніші запахи.

Його спостереження досі регулярно цитуються судмедекспертами, зокрема співробітниками ФБР.

Такі різні вуха

Наступний крок – дослідження органів чуття тварини.

Анатомія органів чуття може багато розповісти про те, як вони функціонують.

Автор фото, Claus LunauSPL

Взяти, наприклад, людські вуха. У кожному з них є вушний равлик: невелика спіралеподібна структура, що містить тисячі спеціальних нервових клітин, які здатні вловлювати звуки.

Спіралеподібна форма равлика дає нам уявлення про те, який принцип її роботи: він особливо добре вловлює тихі, низькі звуки.

У 2006 році дослідники симулювали проходження звуку по спіралі та виявили, що низькі частоти посилювалися.

Завдяки цьому зафіксувати тихі, низькочастотні звуки людині виявляється простіше, ніж якби вушного равлика не було.

Аналогічно вусики (або антени) комах дозволяють їм нюхати, пробувати, чіпати, чути, визначати температуру і відчувати подих вітру.

У ході еволюції для кожного з цих почуттів на вусиках з'явилися відповідні елементи, які під мікроскопом.

Деніел Роберт із Брістольського університету (Британія) займається вивченням того, як комахи користуються своїми антенами, щоб чути. У 2001 році він спільно з Мартіном Гопфертом досліджував вусики комарів.

Автор фото, Stephen DaltonNPL

Комари використовують вусики, щоб уловлювати чутні вібрації - у тому числі в ситуаціях, коли неподалік знаходиться представник протилежної статі. У їхніх вусиках-антенах – 15-16 тисяч слухових клітин, пояснює Роберт.

Перебуваючи в звуконепроникній капсулі, Роберт та Гопферт направили дуже тонкий лазерний промінь на антену комара. На подив, вони виявили, що навіть у повній тиші антена злегка вібрувала, з частотою приблизно 440-450 Гц. Виходить, слухові клітини практично завжди перебувають у русі.

Коли починається звукова хвиля, слухові клітини починають рухатися синхронно з нею, посилюючи звук. В результаті комар починає краще чути звук.

Клітини "додають слабкий імпульс потрібної їм частоти, - каже Деніел Роберт. - У деяких випадках це дає можливість посилити звук у 10 чи навіть 100 разів".

Роберт використовував схожу мікроскопічну методику для дослідження вух коників, розташованих на їх передніх кінцівках нижче за коліно.

Автор фото, Premaphotos NPL

Зробивши мікротомографію цих крихітних вух, Роберт та його колеги виявили, що всередині них діє "важільна система", що реагує на спричинені звуком вібрації. Знову ж таки, це посилює ефект звукових хвиль.

"Ніхто раніше не бачив нічого подібного", - стверджує дослідник.

У міру проходження вібрацій крізь вухо коника вони потрапляють у невеликий отвір, заповнений рідиною і прикриває сенсорні нейрони, які вловлюють звук.

Деніел Роберту вдалося це з'ясувати за допомогою лазера, що фіксує мікрорухи, і динаміка, що видає звуки для комах.

"Високі частоти звуку, який ми транслювали, створювали потужні вібрації в місцях контакту - таких, як наш вушний равлик, - пояснює він. - Низькі частоти проходили далі, до інших клітин, що розташовані нижче".

Хто як бачить?

Щоб дізнатися більше, ми можемо звернутися не лише до анатомії, а й до особливостей окремих клітин органів чуття.

У деяких глибоководних риб у сітківці є лише палички, на відміну від людини – у нашій сітківці представлені і палички, і колбочки.

Автор фото, Alfred Pasieka SPL

Це дає нам уявлення про те, як вони бачать. Колбочки потрібні для кольорового зору, тому відсутність їх у риб говорить про їхню нездатність розпізнавати кольори.

Саме так ми дізналися про те, що зір собак не пристосований для сприйняття кольорової інформації.

У них всього два види колб, а в людини їх три. В результаті вони відрізняють жовті і сині відтінки, але не бачать червоних і зелених тонів.

Людина використовує палички, щоб бачити у тьмяному світлі.

У глибоководних риб вони "неймовірного розміру", розповідає Рон Дуглас із Лондонського міського університету (Британія).

Це дозволяє їм вловити якнайбільше доступного їм світла і бачити практично у темряві.

Запах та смак

Аналогічний підхід можна застосувати до нюху та смаку.

Так, вчені підрахували кількість нюхових рецепторів у собачих носах. У бладхаунда їх понад 200 мільйонів, а в людини – лише 5-6 мільйонів.

Автор фото, Triforce goddess64 CC by 2.0

Ще одне дослідження, яке проводилося в 2006 році, показало, що котячими мовами відсутні смакові рецептори, що реагують на солодке.

Виходить, що представники сімейства котячих - від диких левів і тигрів до домашніх мурок - нездатні відчути насолоду їжі.

Не цілком зрозуміло, чому так вийшло, проте котячі відомі своїми м'ясоїдними звичками, тому солодкі смаки в їхньому раціоні зустрічаються не дуже часто.

Навпаки, плодові мушки мають нюхові рецептори, які відмінно вловлюють фруктові запахи, але не вловлюють практично нічого іншого.

За людськими мірками їх нюх можна назвати обмеженим, проте він добре пристосований до їхніх потреб.

Сенсорні здібності тварин не вичерпуються їх слухом, зором і нюхом.

Автор фото, Mark Crossfield CC by 2.0

Для цього вчені використовують електрофізіологічне тестування. В око або мозок тварини міститься крихітний електрод, який уловлює дрібні імпульси від органів чуття.

Одне з ключових питань – наскільки добре тварина бачить швидкі спалахи світла.

Людське око може побачити до 50 спалахів світла за секунду.Так, лампи денного світла блимають більше 100 разів на секунду, проте ми цього вловити не можемо.

Інші тварини більш чутливі до мерехтливого світла. Наприклад, деякі кури здатні бачити близько 100 спалахів світла на секунду, тому використання флуоресцентного світла у клітинах проблематично.

Автор фото, Sovereign ISM SPL

Підпис до фото, Функціональна магніторезонансна томографія дозволяє побачити активні ділянки мозку

"Вони почуваються так, начебто живуть на дискотеці, - каже Дуглас. - Очевидно, відбувається порушення прав тварин".

Гени та мозок

Крім того є ще й сам мозок.

"Гени визначають, наскільки у тварини розвинені нюх, зір, слух та смак"

Функціональна магніторезонансна томографія (ФМРТ) дозволяє дізнатися, коли активізується та чи інша ділянка мозку. Для цього відстежуються зміни кровообігу та рівня кисню у крові.

Організм прагне забезпечити приплив насиченої киснем крові до нейронів, які задіяні органами чуття.

Саме так ми дізналися про те, що в собачому мозку є конкретні ділянки, які обробляють складну інформацію, пов'язану із запахами.

Автор фото, Bernard Dupont CC by 2.0

У 2015 році було опубліковано дослідження, згідно з яким активність собачого мозку відрізняється залежно від того, знайомий чи незнайомий людський запах почув собака.

Зрештою, слід вивчити ДНК тварини.

Усі аспекти органів чуття тварини, від їх устрою до кількості рецепторів та активності мозку, зрештою визначаються його генами.

Гени визначають, наскільки у тварини розвинені нюх, зір, слух та смак.

Це означає, що ми можемо дізнатися багато про органи чуття тварини, спираючись виключно на інформацію про його ДНК.

У 2014 році дослідники ретельно вивчили геноми 13 видів тварин, намагаючись виявити гени, які відповідають за нюх.

У африканських слонів виявилося більше генів, пов'язаних з нюхом, ніж у будь-якої іншої тварини, вивченої на той момент.

Ми не знаємо, на що безпосередньо впливає більшість із цих двох тисяч генів, але сама цифра наводить на думку, що слонячі носи надзвичайно добре оснащені.

І ще один момент. Досі нас цікавило вивчення тих сенсорних здібностей тварин, якими володіє і людина.

Автор фото, Cordelia MolloySPL

Однак деякі тварини можуть уловлювати речі, яких ми, в принципі, не можемо відчути.

Виявляється, деякі істоти можуть бачити форми світла, невидимі для людського ока.

Що недоступне людині

Наприклад, безліч тварин бачать ультрафіолетове випромінювання, довжини хвиль якого в інтервалі від 10 до 400 нанометрів.

Ми можемо з'ясувати, чи бачить тварина світло з тієї чи іншої довжиною хвилі, якщо перевіримо, чи проходить воно через кришталик його очі.

Кришталик здорової людини блокує ультрафіолетове випромінювання, тому ми його не бачимо. Проте цілій низці представників тваринного світу ультрафіолет допомагає бачити при тьмяному світлі, зазначає Рон Дуглас.

Деякі поверхні відображають лише ультрафіолетове світло, внаслідок чого більшість людей їх не бачать, на відміну від тварин.

Наприклад, існують квіткові пелюстки зі смугами відбиває ультрафіолет матеріалу, що приваблюють комах-запилювачів.

"Медоносна бджола побачить ці позначки, які вказують їй на розташування нектару, - каже Дуглас.– Для бджіл це свого роду посадкові вогні”.

Автор фото, Jim Amos SPL

Бджоли дійсно слідують таким "нектарним покажчикам", завдяки яким вони збирають пилок і можуть згодом запилити інші квіти. Виходить, система працює як для квітів, так і для бджіл.

У тварин є ще дивніші сенсорні здібності, проте вчені знайшли спосіб вивчити і їх.

Наприклад, ми знаємо, що перелітні птахи відчувають магнітне поле Землі. Закономірності їх перельотів змінюються відповідно до того, як переміщуються магнітні полюси планети.

Як саме вони це роблять, поки що залишається загадкою.

Існує гіпотеза, згідно з якою клітини в їхніх очах реагують по-різному залежно від орієнтації птаха по відношенню до магнітного поля - тобто птахи так чи інакше здатні "бачити" магнітне поле.

Крім того, акули вловлюють електричні поля. У них є спеціальні електрорецептори - фактично це пори, які наповнені гелем, що проводить невеликий електричний розряд.

Тваринна електрика

Волоски, що ростуть у порах, рухаються, коли гель заряджений, і відправляють, таким чином, сигнал в мозок акули.

"Мова про найдрібніші електричні імпульси", - пояснює Райан Кемпстер з Університету Західної Австралії в Перті. Однак навіть вони допомагають акулі визначити місцезнаходження невеликої жертви, що знаходиться поза увагою.

"Якщо візуально відстежити жертву не вийшло, акула здатна вловити це дрібне біоелектричне поле і отримати уявлення про те, де може бути потенційний видобуток", - каже дослідник.

Автор фото, Tom McHugh SPL

Кемпстер виявив, що деякі акули більше за інших покладаються на електрорецепцію.

Так, у австралійської бичачої акули лише кілька сотень електрорецепторів, тоді як у молотоголової акули їх буває до трьох тисяч.

Від таких досліджень іноді буває несподівана вигода.

Вивчаючи електрочутливість акул, вчені зібрали дані, які можуть сприяти розробці електродів для відлякування акул.

Їх можна встановити на популярних пляжах, щоб забезпечити безпеку тих, що купаються.

"Враховуючи їхню здатність вловлювати вкрай слабкі електричні поля за допомогою своєї електросенсорної системи, вони залишать зону впливу будь-якого неприємного електричного імпульсу задовго до того, як він зможе завдати їм хоч якоїсь шкоди", - вважає Райан Кемпстер.

А дослідження Деніела Роберта в галузі слуху комах впливають на розробку нових модифікацій слухових апаратів.

Автор фото, Jeff Rotman NPL

Якось Рон Дуглас з'ясував, що сітківка певних глибоководних риб містить хлорофіл. Це відкриття сприяло створенню крапель від нічної сліпоти.

"У своїй роботі я керувався не цим, а виключно інтересом до того, що бачать тварини, - пояснює Дуглас. - Однак ніколи не знаєш, який поворот прийме дослідження. Якийсь лівий хлопець – я, тобто – вивчив очі глибоководної риби, і ось завдяки цьому наука зробила кілька кроків уперед, які можуть допомогти людству”.

Різноманітність органів чуття у тварин говорить нам у тому, що еволюція живих організмів дозволила їм найповніше взаємодіяти з довкіллям.

Ми ніколи не зможемо побачити світ очима кондора або почути те, що чує комар, але ми можемо закрити на хвилину очі і хоча спробувати це собі уявити.