Ученые пытаются выяснить, как животные следуют запаху к его источнику

Выявление различных стратегий, которые используют животные, может помочь инженерам разработать роботов, выполняющих аналогичные задачи.

2 октября 2022 года, через четыре дня после того, как ураган Ян обрушился на Флориду, поисково-спасательный ротвейлер по имени Арес шел по разоренным улицам Форт-Майерса, когда настал момент, к которому он готовился. Арес учуял запах в разрушенном доме и помчался наверх, а его куратор плелся позади, осторожно пробираясь сквозь обломки.

Они нашли мужчину, который был заперт в своей ванной в течение двух дней после того, как обрушился потолок. Около 152 человек погибли во время одного из самых сильных ураганов во Флориде, но этот счастливчик выжил благодаря способности Ареса проследить запах до его источника. .

Мы часто считаем само собой разумеющимся способность собаки находить человека, погребенного под обломками, мотылька следовать за запахом шлейфа к своей половинке или комара чувствовать запах углекислого газа, который вы выдыхаете. Тем не менее ориентироваться с помощью носа сложнее, чем может показаться, и ученые все еще выясняют, как это делают животные.

«Сложнее всего то, что запахи, в отличие от света и звука, не распространяются по прямой линии», — говорит Гаутам Редди, физик-биолог из Гарвардского университета, соавтор исследования о том, как животные находят источники запаха в Ежегодном обзоре за 2022 год . физики конденсированного состояния . Вы можете увидеть проблему, взглянув на шлейф сигаретного дыма. Сначала он поднимается и движется по более или менее прямому пути, но очень скоро начинает колебаться и, наконец, начинает хаотично кувыркаться в процессе, называемом турбулентным течением. Как могло животное вернуться к своему происхождению таким извилистым путем?

За последние пару десятилетий набор новых высокотехнологичных инструментов, от генетической модификации до виртуальной реальности и математических моделей , позволил исследовать обонятельную навигацию совершенно разными способами. Стратегии, которые используют животные, а также их показатели успеха, как оказалось, зависят от множества факторов, включая форму тела животного, его когнитивные способности и степень турбулентности в шлейфе запаха. Однажды это растущее понимание может помочь ученым разработать роботов, способных выполнять задачи, в которых мы теперь зависим от животных: собак для поиска пропавших людей, свиней для поиска трюфелей и , иногда, крыс для поиска наземных мин .

Кажется, что проблема отслеживания запаха должна иметь элементарное решение: просто принюхаться и направиться туда, где запах сильнее всего. Продолжайте, пока не найдете источник.

Эта стратегия, называемая градиентным поиском или хемотаксисом, работает достаточно хорошо, если молекулы запаха распределяются в хорошо перемешанном тумане, что является конечной стадией процесса, известного как диффузия. Но диффузия происходит очень медленно, поэтому тщательное перемешивание может занять много времени. В большинстве естественных ситуаций запахи распространяются по воздуху узким и резко очерченным потоком или шлейфом. Такие шлейфы и запахи, которые они передают, распространяются гораздо быстрее, чем при диффузии. В некотором смысле это хорошая новость для хищника, который не может позволить себе часами ждать, чтобы выследить свою добычу. Но не все новости хороши: шлейфы запаха почти всегда турбулентны, а турбулентный поток делает поиск по градиенту дико неэффективным. В любой данный момент вполне возможно, что направление, в котором запах усиливается наиболее быстро, может указывать в сторону.из источника.

Животные могут использовать множество других стратегий. Летающие насекомые, такие как мотыльки, ищущие себе пару, используют стратегию «бросок-всплеск», которая является формой анемотаксиса или реакции, основанной на воздушных потоках. Когда самец бабочки обнаруживает феромоны самки, он немедленно начинает лететь против ветра, если есть ветер. Если он потеряет нюх — что, вероятно, произойдет, особенно когда он находится далеко от самки, — он начнет «кидать» из стороны в сторону по ветру. Когда он снова найдет шлейф, он возобновит полет против ветра («волна») и будет повторять это поведение, пока не увидит самку.

Некоторые наземные насекомые могут использовать стратегию, называемую тропотаксисом, которую можно рассматривать как стереофоническое обоняние: сравните силу запаха на двух антеннах и поверните к антенне, получая самый сильный сигнал. Млекопитающие, у которых обычно ноздри расположены более узко относительно размера тела, чем усики насекомого, часто используют стратегию сравнения покупок, называемую клинотаксисом: поверните голову и понюхайте в одну сторону, поверните голову и понюхайте в другую сторону и поверните тело в сторону более сильного запаха. Это требует немного более высокого уровня познания из-за необходимости сохранять память о самом последнем вдохе.

Роботы, чувствительные к запахам, могут использовать другую стратегию, которую природа, возможно, никогда не придумала. В 2007 году физик Массимо Вергассола из l'Ecole Normale Supérieure в Париже предложил стратегию, называемую инфотаксисом, в которой обоняние встречается с информационным веком. В то время как большинство других стратегий являются чисто реактивными, в инфотаксисе навигатор создает ментальную модель того, где вероятнее всего находится источник, учитывая ранее собранную информацию. Затем он будет двигаться в направлении, которое максимизирует информацию об источнике запаха.

Робот будет двигаться либо в направлении наиболее вероятного источника (используя свои предыдущие знания), либо в направлении, о котором у него меньше всего информации (ища дополнительную информацию). Его цель состоит в том, чтобы найти комбинацию эксплуатации и разведки, которая максимизирует ожидаемый прирост информации. На ранних стадиях разведка лучше; по мере того, как навигатор приближается к источнику, лучше использовать эксплуатацию. В симуляциях навигаторы, использующие эту стратегию, путешествуют по траекториям, очень похожим на траектории движения мотыльков.

В самой ранней версии Вергассолы навигатор должен составить мысленную карту своего окружения и вычислить математическую величину, называемую энтропией Шеннона , меру непредсказуемости, которая высока в направлениях, которые навигатор не исследовал, и низка в направлениях, которые он исследовал. Вероятно, для этого требуются когнитивные способности, которыми животные не обладают. Но Вергассола и другие разработали более новые версии инфотаксиса, которые менее требовательны к вычислительным ресурсам. Животное, например, «может пойти коротким путем, может быть, приблизить решение с точностью до 20 процентов, что довольно хорошо», — говорит Вергассола, соавтор статьи в Annual Reviews .

Инфотаксис, клинотаксис, тропотаксис, анемотаксис… какие такси первыми доставят вас к месту назначения? Один из способов выяснить это — выйти за рамки качественных наблюдений за поведением животных и запрограммировать виртуальное существо. Затем исследователи могут определить вероятность успеха различных стратегий в различных ситуациях как в воздухе, так и в воде. «Мы можем манипулировать гораздо большим количеством вещей», — говорит Бард Эрментроут, математик из Университета Питтсбурга и член исследовательской группы Odor2Action из 72 человек, организованной Джоном Кримальди, специалистом по гидродинамике из Колорадского университета в Боулдере. Например, исследователи могут проверить, насколько хорошо стратегия мухи будет работать под водой, или они могут усилить турбулентность жидкости и увидеть, когда конкретная стратегия поиска начинает давать сбой.

На данный момент моделирование показывает, что при низкой турбулентности и стереофоническое обоняние, и сравнительный шопинг работают большую часть времени , хотя, как и ожидалось, первое работает лучше для животных с широко расставленными датчиками (например, насекомых), а второе лучше работает для животных с близко расположенные датчики (например, млекопитающие). Однако при высокой турбулентности симуляция животного не работает ни при одном подходе. Тем не менее, лабораторные эксперименты показывают, что настоящих мышей едва ли беспокоит турбулентный шлейф. Это говорит о том, что у мышей все еще могут быть трюки, о которых мы не знаем, или что наше описание клинотаксиса слишком простое.

Кроме того, хотя симуляции могут сказать вам, что может делать животное , они не обязательно говорят, что оно делает . И у нас до сих пор нет способа спросить животное: «Какова ваша стратегия?» Но высокотехнологичные эксперименты с плодовыми мушками становятся все ближе и ближе к этой мечте в стиле доктора Дулиттла.

Плодовые мушки во многих отношениях являются идеальными организмами для исследования запахов. Их обонятельные системы просты, всего около 50 видов рецепторов (по сравнению с примерно 400 у людей и более 1000 у мышей). Их мозг также относительно прост, и связи между нейронами в их центральном мозге были нанесены на карту: в 2020 году был опубликован коннектом плодовой мушки , своего рода электрическая схема для ее центрального мозга. «Вы можете просмотреть любой нейрон и увидеть, кто это связано с», — говорит Кэтрин Нагель, нейробиолог из Нью-Йоркского университета и еще один член команды Odor2Action. Раньше мозг был черным ящиком; теперь такие исследователи, как Нагель, могут просто искать связи.

Одна из загадок, связанных с мухами, заключается в том, что они, по-видимому, используют другую версию стратегии «всплеск и выброс», чем мотыльки. «Мы заметили, что мухи, когда они сталкиваются с запаховым шлейфом, обычно поворачиваются к центральной линии шлейфа», — говорит Тьерри Эмоне, биофизик из Йельского университета. Как только они найдут центральную линию, источник, скорее всего, будет прямо против ветра. «

Это решило одну из самых больших проблем в исследованиях запахов: обычно вы не можете увидеть шлейф запаха, на который реагирует животное. Теперь вы можете не только увидеть его, но и спроецировать фильм с любым пейзажем запахов, который вы хотите. Генетически модифицированная муха будет воспринимать эту виртуальную реальность как запах и соответственно реагировать на него. Другая мутация сделала мух слепыми, так что их реальное зрение не мешало визуальному «запаху».

В своих экспериментах Кларк и Эмоне поместили этих генетически модифицированных мух в контейнер, ограничивающий их движение двумя измерениями. После того, как мухи привыкли к арене, исследователи представили им визуальный ландшафт запахов, состоящий из движущихся полос. Они обнаружили, что мухи всегда идут к встречным полосам.

Затем Кларк и Эмонет представили более реалистичный ландшафт запахов с бурными изгибами и завихрениями, скопированными с настоящих шлейфов. Мухи смогли успешно добраться до центра шлейфа. Наконец, исследователи спроецировали фильм того же шлейфа, обращенный во времени, так что среднее движение запаха в виртуальном шлейфе было направлено к центру, а не в сторону — эксперимент, который невозможно было бы провести с реальным шлейфом запаха. . Мухи были сбиты с толку этим шлейфом причудливого мира и двинулись от центра, а не к нему.

Кларк и Эмонет пришли к выводу, что мухи должны ощущать движение запаховых пакетов , как Эмонет называет дискретные сгустки молекул запаха. Подумайте об этом на секунду: когда вы чувствуете запах шашлыка соседа, можете ли вы сказать, движутся ли частицы дыма, проходящие через ваш нос, слева направо или справа налево? Это не очевидно. Но муха может сказать — и исследователи обоняния ранее упускали из виду эту возможность.

Как ощущение движения молекул запаха помогает мухе находить центр шлейфа? Ключевым моментом является то, что в любой момент времени от центра шлейфа движется больше молекул запаха, чем к нему. Как объясняет Эмонет, «количество пакетов в центральной линии больше, чем вдали от нее. Таким образом, вы получаете большое количество пакетов в центре, которые удаляются, и не так много пакетов, поступающих извне. Каждый пакет в отдельности имеет одинаковую вероятность перемещения в любом направлении, но в совокупности существует дисперсия вдали от центра».

На самом деле мухи обрабатывают поступающую сенсорную информацию чрезвычайно изощренным способом. В ветреную погоду направление движения мухи на самом деле является комбинацией двух различных направлений: направления воздушного потока и среднего направления движения пакетов с запахом. Используя коннектом мухи, Нагель точно определил одно из мест в мозгу, где должна происходить эта обработка . Нейроны мухи, чувствительные к ветру, перекрещиваются с обонятельными нейронами, чувствительными к направлению, в определенном месте мозга, которое описательно называется «веерообразным телом». Вместе два набора нейронов сообщают мухе, в каком направлении двигаться.

Другими словами, муха не только реагирует на свои сенсорные сигналы, но и комбинирует их. Поскольку каждый набор направлений — это то, что математики называют вектором, их комбинация представляет собой векторную сумму. Возможно, говорит Нагель, мухи буквально добавляют переносчиков. Если это так, то их нейроны выполняют вычисления, которые студенты-люди изучают в векторном исчислении.

Нагель планирует искать аналогичные нейронные структуры в мозгу ракообразных. «Запах совершенно другой, передвижение другое, но этот центральный комплекс сохранен», — говорит она. «Они делают то же самое, что и мухи?»

Хотя эксперименты с коннектомом и виртуальной реальностью дают удивительные результаты, остается много вопросов, на которые еще предстоит ответить. Как такие собаки, как Арес, улавливают запах, который находится частично на земле, а частично в воздухе? Как они распределяют свое время между обнюхиванием земли и обнюхиванием воздуха ? Если уж на то пошло, как работает «обнюхивание»? Многие животные активно нарушают воздушный поток, а не просто пассивно принимают его; мыши, например, «взмахивают» своими усами. Как они используют эту информацию?

И какими еще нечеловеческими способностями могут обладать животные, вроде способности мух обнаруживать движение пакетика с запахом? Эти и многие другие загадки, вероятно, заставят биологов, физиков и математиков долго искать ответы.