Ученые нашли объяснение тому, почему столь разнообразные виды, включая светлячков и китов, используют для передачи сигналов ограниченный диапазон частот – от 0,5 до 4 герц. Согласно результатам компьютерного моделирования, этот повсеместный темп определяется не особенностями органов, используемых для создания сигналов, а скоростью функционирования нейронов, воспринимающих эти сигналы.
Ученые выяснили, почему животные, начиная от светлячков и заканчивая китами, обмениваются сигналами в ограниченном диапазоне частот – от 0,5 до 4 герц. Согласно результатам компьютерного моделирования, этот распространенный ритм определяется не особенностями органов, используемых для передачи сигналов, а скоростью функционирования нервных клеток, воспринимающих эти сигналы.
В ходе экспедиции, проходившей в Таиланде, американские ученые осуществляли видеосъемку светлячков. В процессе записи исследователи обратили внимание на то, что пение местных сверчков происходит синхронно с миганием светлячков. Они сделали вывод, что это явление не является случайным.
Чтобы подтвердить выдвинутую гипотезу, авторы исследования, опубликованной в журнале PLoS Biology, мы изучили научные работы и собрали записи звуков, издаваемых дикими животными xeno-canto. Были выбраны регулярные звуковые сигналы, издаваемые птицами, летучими мышами, земноводными, насекомыми и млекопитающими. Полученные данные свидетельствуют о том, что виды, отличающиеся по массе в сотни миллионов раз (например, насекомые и киты), используют схожий диапазон частот для коммуникации – от 0,5 до 4 импульсов в секунду (герц). В нейробиологии такой диапазон соответствует низкочастотным дельта-ритмам головного мозга.
По мнению ученых, мозг человека лучше всего воспринимает внешние сигналы, если их частота соответствует естественным ритмам, свойственным его работе.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы, исследователи создали математическую модель нейронной сети. В процессе разработки в модель был включен биофизический фактор, определяющий, что для формирования заряда и генерации нового импульса отдельной нервной клетке необходимо несколько сотен миллисекунд (время обработки информации). Это ограничение обусловило рабочую частоту виртуальных нейронов, которая составила приблизительно 2 герца.
Ученые-физики рассмотрели свыше полутора тысяч различных схем организации взаимосвязей и воздействовали на виртуальные нейронные цепи сигналами, отличающимися по частоте. Оценивалось, насколько эффективно сеть реагирует на стимул, посредством параметра порядка (R). В модель также внесли элемент неоднородности – небольшое отклонение в характеристиках отдельных нейронов, что призвано воспроизвести биологические особенности живых клеток.
Согласно проведенной симуляции, виртуальная нейросеть демонстрирует наиболее продуктивную (синхронную) реакцию на внешний стимул при условии, что его частота соответствует базовой частоте нейронов (около 2 герц). Структура связей между нейронами (топология сети) оказывала незначительное влияние на итог. Включение в модель элементов биологического хаоса, напротив, повысило эффективность системы: разнообразие клеток обеспечило возможность улавливания и резонанса с сигналами, отклоняющимися от идеального ритма.
Обнаруженный универсальный ритм соответствует музыкальным вкусам людей. Наиболее распространенная частота в поп-музыке – 120 ударов в минуту, что эквивалентно двум герцам – оптимальной частоте для резонанса нейронных связей. Отступления от этого принципа наблюдаются в основном в жестовой коммуникации крупных животных, поскольку их внушительный вес затрудняет совершение движений конечностями несколько раз в секунду.
Развитие коммуникации происходило посредством приспособления говорящего к слушающему. Животным не требовалось разрабатывать специальные методы расшифровки для каждого вида. Естественный отбор настроил частоту передачи звуковых и световых сигналов в соответствии с базовыми физическими возможностями нервных клеток, установив общий ритм общения для всей биосферы.