Откуда ученые знают, что видят, слышат и чувствуют животные: как это выяснили

Некоторые животные видят лучше нас, другие имеют более острое обоняние, есть и такие, которые могут распознавать явления, которые мы вообще не способны заметить, например, магнитные поля. Но откуда мы вообще знаем, что ощущают животные? Издание BBC разложило все по полочках.

Известен факт, что у некоторых животных отлично развиты органы чувств.

Обоняние у собак – гораздо лучше нашего, а коты хорошо видят в темноте, в которой человеку без фонарика не обойтись.

Некоторые животные видят даже такие вещи, которые мы вообще не способны заметить, например ультрафиолетовое излучение или магнитное поле Земли.

Истории о невероятных сенсорных способностях животных постоянно появляются в СМИ. Но откуда мы о них узнаем? Мы ведь не можем спросить рыбу или кота, что они видят. Вернее, спросить мы, конечно, можем, но вот ответа не дождемся.

Чтобы выяснить это нужно немало изобретательности. Вот несколько способов представить себе, как это – видеть глазами рыбы или нюхать носом пса.

Начать следует с самого простого: можно наблюдать за животным в его естественных условиях. Например, за грифами, крупными хищными птицами, питающимися падалью. Они способны с расстояния в несколько километров заметить тушу, которая разлагается в кустах, где она может быть хорошо замаскирована. Следовательно, грифы способны распознавать мельчайшие детали предметов.

Чтобы получить более точную информацию, можно провести поведенческий эксперимент. Один из первых таких опытов прошел в конце XIX века. Его автор – английский биолог Джордж Ромейнес.

Однажды он отправился на прогулку со своей собакой в лондонский Риджентс-парк. Ромейнес был в игривом настроении и решил проверить способности своего любимца.

Ромейнес подождал, пока его собака отвернулась, и стремительно побежала прочь зигзагами. Когда пес заметил, что хозяина нет, он немедленно начал обнюхивать землю. Руководствуясь только обонянием, он прошел по следам Ромейнеса, точно повторяя его путь, и нашел хозяина.

Этот спонтанный эксперимент дает неплохое представление о том, насколько острым является собачье обоняние и каким полезным оно может оказаться.

Благодаря дальнейшим экспериментам Джордж Ромейнес обнаружил, что собаки могут улавливать определенные запахи с очень большого расстояния, даже если присутствуют другие, более сильные запахи.

Его наблюдение до сих пор регулярно цитируют судмедэксперты, в том числе и сотрудники ФБР.

Следующий шаг – это исследование органов, с помощью которых животные ощущают мир. Анатомия органов чувств может многое рассказать о том, как они функционируют.

К примеру, человеческое ухо. Внутри каждого из них есть ушная улитка: небольшой спиралевидный орган, содержащий тысячи специальных нервных рецепторов, способных улавливать звуки.

Спиральная форма дает нам представление о том, каков принцип работы органа: в первую очередь улитка хорошо распознает тихие, низкие звуки. В 2006 году исследователи симулировали прохождение звука по спирали и обнаружили, что низкие частоты усиливались. Благодаря ушной улитке человек способен услышать тихие, низкочастотные звуки.

Усики насекомых

Усики (или антенны) насекомых позволяют им нюхать, пробовать на вкус, касаться, слышать, определять температуру и чувствовать дыхание воздуха.

В ходе эволюции для каждого из этих чувств на усиках появились соответствующие элементы, их видно под микроскопом.

Дэниел Роберт из Бристольского университета (Британия) изучает, как насекомые пользуются своими антеннами, чтобы слышать. В 2001 году он вместе с Мартином Гопфертом исследовал усики комаров.

С помощью них комары улавливают слышимые вибрации. Усы также помогают им определить представителя противоположного пола неподалеку. Усики-антенны комаров содержат 15-16 тысяч слуховых клеток, объясняет Роберт.

Роберт и Гопферт направили очень тонкий лазерный луч на антенну комара внутри звуконепроницаемой капсулы. К своему удивлению, они обнаружили, что даже в полной тишине антенна слегка вибрировала с частотой примерно 440-450 Гц.

Выходит, слуховые клетки практически всегда находятся в движении. Когда возникает звуковая волна, слуховые клеточки начинают двигаться синхронно с ними, усиливая звук. В результате комар лучше слышит.

«Клетки прибавляют слабый импульс нужной им частоты, – говорит Дэниел Роберт. – В некоторых случаях это дает возможность усилить звук в 10 или даже 100 раз».

Роберт использовал схожую микроскопическую методику для исследования ушей коньков, расположенных на их передних конечностях ниже колена.

Сделав микротомографию этих крошечных ушей, Роберт и его коллеги обнаружили, что внутри них действует система «рычага», реагирующая на вызванные звуком вибрации. Это также усиливает эффект звуковых волн.

По теме: В Нью-Йорке откроют игровую площадку, на которой можно изучать животных

«Никто раньше такого не видел», – утверждает исследователь.

Когда вибрации проходят сквозь ухо конька, они попадают в небольшое отверстие, заполненное жидкостью, которое прикрывает сенсорные нейроны, улавливающие звук.

Дэниелу Роберту удалось это выяснить с помощью фиксирующего микродвижения лазера и динамика, издающего звуки для насекомых.

«Высокие частоты звука, который мы транслировали, создавали мощные вибрации в местах контакта – таких, как наша ушная завитка, – объясняет он. – Низкие частоты проходили дальше, к другим клеткам, расположенным ниже».

В человеческом ухе происходят схожие процессы

Чтобы узнать больше, мы можем прибегнуть 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 свидетельствует об их неспособности распознавать цвета.

Именно так люди узнали и о том, что зрение собак не приспособлено для восприятия цветной информации.

У них только два вида колб, а у человека их три. В результате собаки отличают желтые и синие оттенки, но не видят красных и зелёных тонов.

С помощью палочек, человек также может видеть в полумраке.

У глубоководных рыб палочки «огромного размера», отмечает Рон Дуглас из Университета Лондона. Это позволяет им улавливать как можно больше доступного света и видеть почти в темноте.

Обоняние и вкус

Такой же подход применим к обонянию и вкусу.

Так, учёные подсчитали количество обонятельных рецепторов в собачьих носах. У английской гончей их более 200 миллионов, а у человека – всего 5-6 миллионов. Еще одно подтверждение того, что собачье обоняние превосходит наше.

Еще одно исследование, проведенное в 2006 году, показало, что на языке у кошек отсутствуют вкусовые рецепторы, реагирующие на сладкое.

Выходит, что представители семейства кошачьих – от диких львов и тигров до домашних кошечек – неспособны почувствовать сладость пищи.

Не совсем понятно, почему так получилось, но кошачьи – убежденные мясоеды, а потому способность распознавать сладкие вкусы им, возможно, и не нужна.

А вот обонятельные рецепторы плодовых мушек, напротив, отлично чувствуют 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 ограничены слухом, зрением и обонянием. Можно также отследить, как сенсорные сигналы проходят нервной системой животного в его мозг.

Для этого учёные используют электрофизиологическое тестирование. В глаз или мозг животного помещают крохотный электрод, который улавливает мельчайшие импульсы от органов чувств.

Один из ключевых вопросов – как хорошо животное видит быстрые вспышки света. По словам Рона Дугласа, это помогает определить ее способность замечать движение.

Человеческий глаз может увидеть до 50 вспышек света в секунду. Если частота вспышек увеличивается, человеку кажется, что свет включен постоянно.

Да, лампы дневного света мигают более 100 раз в секунду, однако мы этого заметить 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 курятнике проблематично.

«Они чувствуют себя так, будто живут на дискотеке, – объясняет Дуглас. – Очевидно, что это нарушает права животных».

Кроме того, есть еще и мозг.

Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) позволяет узнать, когда активизируется тот или иной участок мозга. Для этого отслеживают изменения кровообращения и уровня кислорода в крови.

Когда определенные нейроны активируются органами чувств, организм снабжает их насыщенной кислородом кровью.

Именно так мы узнали о том, что в собачьем мозге есть определенные участки, обрабатывающие сложную информацию, связанную с запахами.

Исследование 2015 года показало, что активность мозга собаки меняется в зависимости от того, знакомый или незнакомый человеческий запах она испытала.

ДНК

И последний шаг – это изучить ДНК животного.

Все особенности органов чувств животного, от их строения до количества рецепторов и активности мозга, определяются его генами.

Именно они решают, как хорошо животное видит, слышит, чувствует запахи и вкусы.

Это означает, что мы можем узнать многое об органах чувств животного, опираясь исключительно на информацию о его ДНК.

В 2014 году исследователи тщательно изучили геномы 13 видов животных, пытаясь обнаружить гены, отвечающие за обоняние.

У африканских слонов оказалось больше генов, связанных с обонянием, чем у любого другого животного, изученного на тот момент.

Мы не знаем, за что конкретно отвечает большинство из этих 2 000 генов, однако сама цифра наводит на мысль, что носы слонов очень хорошо приспособлены.

И еще одна вещь. К тому моменту людей интересовали те сенсорные способности животных, которыми владеет и человек.

Однако некоторые животные могут распознавать вещи, которые мы, в принципе, не способны почувствовать. Некоторые существа, например, способны видеть формы света, невидимые для человеческого глаза.

К примеру, множество животных видят ультрафиолетовое излучение, длина волн которого находится 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 глаз.

Хрусталик здорового человека блокирует ультрафиолетовое излучение, поэтому мы его не видим. Однако многим животным ультрафиолет помогает видеть в полумраке, отмечает Рон Дуглас.

Некоторые поверхности отражают только ультрафиолетовый свет, в результате чего большинство людей их не видят, в отличие от животных.

Например, лепестки некоторых цветков имеют отражающие полоски ультрафиолет, таким образом они привлекают насекомых-опылителей.

«Медоносная пчела видит эти отметки, которые указывают ей на расположение нектара, – объясняет Дуглас. – Для пчел это своеобразные посадочные огни».

Пчелы идут за такими «нектарными указателями», благодаря которым они собирают пыльцу и могут впоследствии опылять другие цветы. То есть система работает как для цветов, так и для пчел.

Другие животные обладают еще более странными сенсорными способностями, однако ученые нашли способ исследовать и их.

К примеру, мы знаем, что перелетные птицы ощущают магнитное поле Земли. Закономерности их перелетов изменяются в соответствии с перемещением магнитных полюсов планеты.

Как они это делают, пока остается загадкой.

По одной гипотезе, в глазах птиц есть клетки, которые реагируют по-разному в зависимости от ориентации птицы относительно магнитного поля – то есть птицы так или иначе способны «видеть» магнитное поле.

Подобным образом акулы ощущают электрические поля. Они имеют специальные электрорецепторы – поры, наполненные небольшим количеством геля, проводящего электрический разряд.

Когда гель заряжен, волоски в порах волоски двигаются и, таким образом, направляют сигнал в мозг акулы.

«Конечно, это очень крохотные электрические импульсы», – объясняет Райан Кемпстер из Университета Западной Австралии в Перте. Однако они помогают акуле определить расположение жертвы небольшого размера, находящегося вне поля зрения хищника.

«Если визуально отследить добычу не получилось, акула способна уловить это крохотное биоэлектрическое поле и понять, где находится потенциальная добыча», – добавляет исследователь.

Кемпстер обнаружил, что некоторые акулы полагаются на электрорецепцию больше других.

Так, у австралийской рогатой акулы – всего несколько сотен электрорецепторов, тогда как у акулы-молота их может быть до трех тысяч.

Такие исследования иногда приносят неожиданную пользу.

Изучение электрочувствительности акул способствует разработке электродов для отпугивания этих морских хищников.

Посредством них можно защитить купальников на популярных пляжах.

«Поскольку акулы способны улавливать очень слабые электрические поля, они покинут зону любого неприятного электрического импульса задолго до того, как он сможет нанести им любой вред», – считает Райан Кемпстер.

А исследования Дэниела Роберта в области слуха насекомых помогают в разработке новых модификаций слуховых аппаратов.

Однажды Рон Дуглас выяснил, что сетчатка некоторых глубоководных рыб содержит хлорофилл. Это открытие способствовало созданию капель от ночной слепоты.

«Конечно, я не это искал в своей работе, мой интерес касался исключительно того, что видят животные, – объясняет ученый. – Однако никогда не знаешь, куда тебя может завести исследования. Благодаря этому наука сделала несколько шагов вперед, которые могут помочь человечеству».

Разнообразие органов чувств животных является отличным свидетельством того, как 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 на минуту закрыть глаза и попытаться себе представить.