Вибрационная картина мира

Н. В. Селезнева,
доктор технических наук, профессор
«Химия и жизнь» №5, 2011

Фото: Алексей Волков. «Химия и жизнь»

Всем живым существам, и высокоразвитым, и примитивным, необходимо ориентироваться в собственной среде обитания, искать и ловить добычу, находить партнеров для продолжения рода, обнаруживать врагов или избегать встреч с ними. Для решения этих жизненно важных задач требуется объемное изображение окружающего пространства. В процессе эволюции каждый вид животных нашел свой оригинальный способ получения такого изображения. Млекопитающие, обитающие в воздушной среде, как правило, используют свет, а в водных глубинах — звук. Большинство беспозвоночных животных не обладает такими развитыми органами зрения и слуха, как млекопитающие. Для восприятия информации о себе и окружающем мире они используют принципиально другие и весьма изощренные способы. Яркий пример — медуза, явно не рекордсмен по интеллекту и ловкости.

Зонтик с бахромой

Медузы — довольно подвижные хищные животные, активно плавающие в морях и океанах. Вместо органов зрения у них есть несколько светочувствительных глазков, которые реагируют только на уровень освещенности и не могут получать изображений. Органов слуха и обоняния у медуз тоже нет. Но несмотря на это, они прекрасно ориентируются в своем подводном мире: целенаправленно перемещаются как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, спасаются от врагов, ловят добычу, а перед приближением шторма уходят в глубь океана. Как они это делают?

Рис. 1. Инерциальный датчик медузы. К телу медузы (а) прикреплен полый вырост (б) с двумя кристалликами (в). Датчик окружают чувствительные клетки (г) с волосками (д), которые регистрируют колебания «маятника». Изображение: «Химия и жизнь»

Медузы обладают особенной инерциальной системой, состоящей из множества датчиков, которые равномерно распределены по краю ее тела-зонтика (рис. 1).

Каждый датчик представляет собой полый вырост (мешочек), подвешенный, как маятник, на тонкой перемычке к краю зонтика. Внутри полости находятся два тяжелых округлых кристаллика: снизу побольше, сверху поменьше. В биологии такие чувствительные образования называются статоцистами, а инженеры считают, что по своему устройству датчик медузы похож на двухкомпонентный маятник.

Вокруг точки подвеса маятника по концентрическим окружностям располагаются рецепторные клетки с длинными упругими волосками. Когда медуза наклоняется или движется с ускорением, маятник отклоняется, изгибает чувствительные волоски и их рецепторы вырабатывают сигналы.

Выходной сигнал датчика соответствует углу отклонения маятника от вертикали. Длина упругих волосков уменьшается от центра к периферии, и чем длиннее волосок, тем больше его чувствительность (чем больше рычаг, тем меньшую силу надо приложить, чтобы его изогнуть). Каждое кольцо чувствительных волосков вовлекается в процесс восприятия при определенном значении угла отклонения маятника, поэтому измерительная характеристика датчика — ступенчатая.

Интересно, что одни рецепторные клетки реагируют на статические отклонения маятника, другие — на скорость изменения его положения, третьи — на его вибрацию. А значит, нервная система медузы выполняет сложную и разнообразную обработку информации.

Рис. 2. Измерение медузой навигационных параметров: наклон (а), скорость движения (б), скорость вращения (в), угловое ускорение (г). На рисунках (д) и (е) показано, как датчики реагируют на колебания, испускаемые внешним объектом. Изображение: «Химия и жизнь»

Сравнения сигналов от всей системы маятников, распределенных по окружности зонтика, позволяет медузе определять (рис. 2):

• наклон зонтика относительно вертикали (для этого сравниваются отклонения маятников с противоположных сторон тела);
• скорость поступательного движения (при равномерном движении все маятники отклоняются в одну сторону);
• угловую скорость (при вращении с постоянной угловой скоростью все маятники отклоняются наружу);
• угловое ускорение (при таком движении все маятники отклоняются по касательной к окружности тела животного).

Другие движущиеся объекты медуза распознает благодаря чувствительности датчиков к вибрациям. Любой плывущий объект создает перед собой сферическую волну, которая вызывает колебания маятников. Амплитуды, фазовые сдвиги и статические отклонения колебаний зависят от вида объекта, направления его движения и положения относительно медузы. Например, если объект находится сбоку, то маятники колеблются в плоскости, перпендикулярной фронту волны, с фазовыми сдвигами, зависящими от ее длины. Когда он находится сверху (рис. 2д), маятники колеблются без фазовых сдвигов, но все они отклоняются к центру тела животного; если же объект подплывает снизу (рис. 2е), маятники, качаясь, отклоняются наружу.

Как видим, даже такое элементарное сенсорное устройство оказывается весьма информативным. За простоту и элегантность решения задачи ориентации в водной стихии медуза заслуживает высший балл.

Паукообразные

Большинство паукообразных — хищники, ползающие по земле, растениям и паутинам. В этой сложно устроенной трехмерной среде они умело ориентируются, вовремя обнаруживают добычу, врагов и особей своего вида. Добавим сюда паутину, которую часто называют одним из самых впечатляющих достижений «инженерной мысли» природы. Чтобы сплести ловчую сеть, пауку нужно выбрать несколько удобных точек крепления, лежащих в одной плоскости, обеспечив при этом определенный угол наклона этой плоскости (иначе можно самому попасть в сеть), затем протянуть радиальные нити, разделив ими будущую паутину на равные сегменты. Такое невозможно сделать, не имея развитых органов чувств.

Рис. 3. Инерциальный датчик паукообразных: полость, заполненная жидкостью (а), кристаллик (б), чувствительные волоски (в), рецептор (г). Изображение: «Химия и жизнь»

Инерциальный датчик у паукообразных находится внутри тела (рис. 3). Он состоит из полости, заполненной студенистой жидкостью, в которой свободно перемещаются тяжелые частицы (кристаллики). Внутренняя поверхность полости покрыта упругими чувствительными волосками. В основании каждого волоска имеется рецептор, реагирующий на его изгибы. По принципу действия инерциальный датчик пауков идентичен датчикам вестибулярного аппарата позвоночных. При воздействии внешней силы на тело животного или отклонении от вертикали кристаллики смещаются и изгибают своей тяжестью волоски, вызывая ответ рецепторных клеток.

Оптический обзор местности паукообразным затрудняют неровности рельефа, растительность и другие преграды. Поэтому органы зрения у большинства видов примитивны и состоят из нескольких пар глазков, способных определять только уровень освещенности. Слабо развито у них и обоняние. Зато у паукообразных имеются весьма совершенные органы, чувствительные к вибрациям, датчики которых располагаются на нижних конечностях животного и контактируют с твердой поверхностью или паутиной. Именно они снабжают паукообразных подробной информацией о том, что вокруг них.

Рассмотрим устройство и принцип действия этой системы обзора у скорпиона, одного из представителей паукообразных. Для приема вибросигналов у него есть два вида датчиков: волосковый и щелевидный (рис. 4).

Рис. 4. Приемники вибросигналов паукообразных: волоски на «ступне» (а), складки с рецепторными клетками (б). Волосковый датчик регистрирует колебания в направлении стрелки А, щелевидный датчик — сгибание-разгибание ноги в суставе по стрелке Б. Изображение: «Химия и жизнь»

Волосковый датчик располагается снизу «ступни» и состоит из множества жестких чувствительных волосков. В основании каждого волоска есть две пары упругих рецепторных клеток, прикрепленных одним концом к волоску, другим — к хитиновому покрову животного. При изменении расстояния между точками крепления рецепторная клетка генерирует пропорциональный сигнал. Когда скорпион стоит, чувствительные волоски погружены в толщу песка. Горизонтальные колебательные движения песчинок в направлении стрелки А вызывают их вибрацию, амплитуду которой и измеряют рецепторные клетки.

Щелевидный датчик находится в основании сочленения, следующего за «ступней». Он состоит из нескольких веерообразных складок с узким зазором. Внутри каждой складки располагаются упругие рецепторные клетки, концы которых прикреплены к противоположным створкам щели. Эти клетки реагируют на изменение величин зазоров при движении «ступни» вверх-вниз (по стрелке Б).

Что можно узнать об окружающем мире с помощью таких примитивных датчиков? Попробуем разобраться.

Песок хорошо проводит акустические колебания на расстояние в несколько десятков сантиметров, но только в узком диапазоне частот порядка 1–5 кГц. При этом в песке возникают механические колебания двух типов: сжатия (песчинки колеблются вдоль направления распространения волны) и сдвига (песчинки движутся перпендикулярно этому направлению). Можно предположить, что волосковый датчик воспринимает волны сжатия, а щелевидный — волны сдвига.

Восемь ног животного обеспечивают равномерный обзор окружающего пространства, образуя округлое информационное поле диаметром 4–6 см (рис. 5).

С его помощью скорпион может определять местонахождение источника колебаний с точностью до единиц и долей сантиметров.

Рис. 5. Скорпион берет пеленг на цель, сравнивая сигналы от разных ног. Изображение: «Химия и жизнь»

Пусть на расстоянии R от животного находится объект С (жертва или источник опасности). Объект движется и колеблет песок. Скорпиону нужно измерять два параметра: направление на цель (угол) и дальность R до нее.

Направление определяют щелевидные датчики, регистрирующие медленную составляющую колебаний песка — волны сдвига. Эти волны достигают щелевидных преобразователей на разных ногах животного в разные моменты времени. Измерение запаздываний позволяет животному определить направление на объект, а определение частоты сигнала — идентифицировать его. Например, измерение запаздываний датчиков на второй и третьей ногах паука позволяет найти так называемый пеленг цели (угол ₂₃ на рис. 5, где 2 и 3 — номера ног). Однако величины запаздываний зависят не только от взаимного расположения паука и объекта С, но и от расположения ног, скорости распространения волн сдвига в песке, от рельефа местности и т. п. Поэтому для однозначного определения направления на цель животному необходимо измерять несколько пеленгов ₂₃, ₃₁, ..., ₇₆ объекта С. Волны сдвига пересекают информационное поле скорпиона примерно за 1 мс, стало быть, его нервная система должна регистрировать временные задержки около 0,1 мс — такая задача ей вполне по силам.

Рис. 6. Схема показывает, как скорпион измеряет дальность до цели. Волны сжатия (вверху) достигают лапки быстрее, чем волны сдвига от того же объекта (внизу), и чем больше запаздывание, тем дальше объект. Изображение: «Химия и жизнь»

Чтобы определить расстояние до источника колебаний, скорпионы используют разницу в скоростях волн сжатия и сдвига (рис. 6). В рыхлом песке волны сжатия распространяются со скоростью 120–200 м/с в зависимости от температуры, влажности и плотности песка. Скорость волн сдвига в три-четыре раза меньше.

Первыми к ноге скорпиона поступают быстрые волны сжатия. Они регистрируются волосковыми датчиками (сигнал А на рис. 6а). Через некий интервал времени подходят более медленные волны сдвига, на которые реагируют щелевидные датчики (сигнал Б на рис. 6б). Искомая дальность R до объекта прямо пропорциональна отставанию волн сдвига от волн сжатия (естественно, на датчики одной и той же ноги). Если источник колебаний находится в нескольких дециметрах от скорпиона, то запаздывание составит несколько миллисекунд. Восьмикратное измерение дальности дает избыточную информацию, которая компенсирует возможные помехи.

Рис. 7. Структура нервной системы скорпиона: а — каналы связи, по которым поступают сигналы от приемников вибросигналов каждой ноги, б — нервные узлы, обрабатывающие эти сигналы, в — центральное ядро, где обрабатывается информация от всех виброприемников сразу, г — головной мозг, обеспечивающий работу хватательных щупальцев, клешней и ядовитых желез, д — нервная система пищеварительного тракта. Если судить по объему нервных структур, обработка информации от вибродатчиков — важнейшая «интеллектуальная задача» скорпиона. Изображение: «Химия и жизнь»

О важности виброчувствительных органов для паукообразных свидетельствует структура их нервной системы (рис. 7). Очевидно, что виброчувствительный орган у этих животных несет максимальную информационную нагрузку.

Таким образом, колебания опоры под ногами дают паукам и скорпионам всю информацию, необходимую для решения задач пространственной ориентации, захвата добычи и защиты от врагов. Но с другой стороны, паук «видит» объект только в том случае, если он производит механические колебания. Отсюда особый прерывистый характер движений этих животных по направлению к цели. Паук во время охоты часами, не двигаясь, караулит добычу. Как только сигналы от подходящего объекта достигают его виброчувствительных органов, он стремительно поворачивается и движется к цели. Если добыча замрет, паук может потерять ее.

Способность паукообразных следить за передвижениями источника колебаний, а во время «пауз» держать направление на цель говорит о наличии у них «оперативной памяти». В их мозге должна существовать хотя бы примитивная модель воспринимаемого пространства с отмеченной в ней целью. Для построения такой модели необходима совместная обработка сигналов инерциальных и виброчувствительных органов.

Инерциальным и вибрационным датчикам паукообразных нельзя отказать в изяществе и эффективности. Но системы пространственной ориентации, которыми снабжены летающие насекомые, — это уже принципиально другой уровень. О них мы поговорим в следующем номере. Читателям, которые заинтересовались «навигационными компьютерами» насекомых, рекомендуем пока вспомнить школьную физику — сила как векторная величина, вращающие моменты и пр. Летать по воздуху сложнее, чем ходить по песку, пусть и на восьми ногах.