Физики из Йельского университета с помощью математической модели объяснили, как гадюки используют инфракрасные датчики возле ноздрей, чтобы охотиться за добычей в кромешной темноте. Оказалось, они задействуют своеобразный «предусилитель сигнала», расширяющий пределы возможностей их тепловизионного органа.
Животный мир полон интересных эволюционных решений в области сенсорного восприятия. Парящий в небе орел замечает бегущую в траве мышку-полевку. Проголодавшийся медведь чует съедобное за несколько километров в густых зарослях. Утконос, плавая в пресноводном ручье, улавливает электрические импульсы головастика поблизости. Обычные люди в некоторых экспериментах замечали одиночный фотон, что эквивалентно способности разглядеть свечу ночью с десяти километров. Гадюки улавливают ничтожные колебания температуры вдалеке, распознавая жертву. Последнее вызывает больше всего вопросов: как?
Чтобы определить местонахождение своей добычи, гадюкам необходимо фиксировать изменения температуры в милликельвинах, при этом орган должен быть в тысячу раз более чувствительным, чем лежащие в его основе молекулярные сенсоры. Тем более если речь идет о пустыне (излюбленное место обитания змей), где температура резко скачет днем и ночью. Ученые из Йельского университета (США) нашли ответ в новой математической модели, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Исследователи посчитали, что за сверхчувствительностью может стоять биологический механизм, позволяющий гадюкам усиливать изначально ничтожные сигналы, уловленные рецепторами, и передавать их в мозг в «высоком разрешении». Для расчета этого механизма ученые использовали концепцию статистической физики и теорию информации, чтобы понять, как входящий температурный сигнал от отдельных ионных каналов змеи коллективно влияет на реакцию нейронов. В математической модели существует «бифуркация» — точка, в которой реакция нейронов качественно меняется, и отдельные, менее чувствительные термодатчики демонстрируют высокую степень взаимодействия.
«Вблизи этой точки бифуркации мы показываем, что мозг змеи может получить почти столько же информации о температуре, как если бы он мог считывать измерения с каждого отдельного датчика, а затем идеально усреднять их вместе, чтобы получить одно оптимально точное измерение», — сказал Бенджамин Махта, доцент кафедры физики.
Получается, усиление возникает из-за близости к динамической бифуркации, отделяющей режим с частыми и регулярными потенциалами действия от режима, где они нерегулярны и нечасты. Вблизи перехода же частота потенциалов действия может иметь чрезвычайно резкую зависимость от температуры, что и приводит к тысячекратному усилению.
Ко всему прочему, эта математическая модель включает функцию «обратной связи», которая автоматически защищает общую чувствительность системы при колебаниях температуры. Аналогичные механизмы обратной связи можно найти в других сенсорных системах, нацеленных на обнаружение крошечных сигналов в меняющейся среде. Таким образом, новая модель может найти применение не только в ночных странствиях гадюки.