Биологи выяснили, что светлячки, сверчки, морские львы и даже человекообразные обезьяны в своей коммуникации придерживаются единого скрытого темпа. Исследователи предполагают, что источник этого ритма кроется в фундаментальных свойствах нервных клеток.
Случайное наблюдение в Таиланде
Теплая летняя ночь в Таиланде преподнесла неожиданную загадку. Группа ученых под руководством Гая Амихая и Дэниела М. Абрамса из Северо-Западного университета снимала на видео светлячков, синхронно мигающих вдоль берега реки. В какой то момент исследователи заметили странную деталь. Находившиеся рядом сверчки издавали стрекочущие звуки почти с той же скоростью, что и мерцание жуков. Частота колебаний составила около 2,4 удара в секунду, а разница между двумя видами не превышала 10 процентов.
Ни один из видов не координировал свои действия с другим. Светлячки и сверчки общаются с помощью совершенно разных органов чувств: одни используют свет, другие используют звук. Тем не менее они независимо пришли к почти одинаковому ритму, хотя оба могли двигаться быстрее или медленнее. Этот вопрос заставил ученых искать ответы по всему животному миру.
Общий диапазон для десятков видов
Чтобы проверить, не было ли наблюдение в Таиланде случайностью, исследовательская группа изучила опубликованную литературу, охватывающую огромный спектр животного мира. Они собрали данные о видах, которые общаются с помощью непрерывных повторяющихся сигналов, похожих на метроном: вспышка, вспышка, вспышка или чириканье, чириканье, чириканье через регулярные интервалы.
Оказалось, что значительная часть видов имеет частоту колебаний примерно от 0,5 до 4 ударов в секунду. Этот узкий диапазон наблюдался у самых разных существ. В него попали мельчайшие насекомые и ракообразные, лягушки, рыбы, птицы и крупные млекопитающие, включая обезьян, людей и морских львов. При этом не имело значения, использовало ли животное свет, звук или физические жесты, а также передавались ли сигналы по воздуху или по воде.
Чтобы избежать неосознанного выбора примеров, соответствующих их гипотезе, команда применила второй подход. Ученые случайным образом отобрали 50 записей из международной базы данных звуков дикой природы xeno-canto, взяв по 10 примеров от птиц, летучих мышей, лягушек, кузнечиков и наземных млекопитающих. Были применены строгие критерии для отбора устойчивых ритмов. Темп достигал пика около 3 ударов в секунду со средним значением 3,45. Важно отметить, что животные в исследовании, вероятно, способны подавать сигналы быстрее, чем они это делают. Это делает тесную кластеризацию вокруг одного диапазона еще более убедительной.
Связь с мозговыми ритмами
В нейробиологии этот диапазон уже имеет название. Речь идет о дельта волнах, самом медленном из обычно отмечаемых мозговых ритмов. Дельта волны образуются, когда большие группы нейронов синхронно активируются на низких частотах. Они наиболее известны тем, что доминируют в глубоком сне у человека, хотя также встречаются в бодрствующем мозге птиц, лягушек и плодовых мушек. Исследователи предположили, что такое совпадение не может быть случайным.
Почему животные выбирают именно такую скорость? Исследователи музыки давно заметили, что люди предпочитают музыкальные темпы около 120 ударов в минуту. Ранее считалось, что это предпочтение может быть связано с ходьбой. Однако тот же диапазон наблюдается у существ с совершенно разными типами телосложения и образом жизни. Объяснение, вероятно, кроется глубже, а именно в нейронном механизме обработки сигналов.
Нейроны разных видов обладают определенными основными физическими свойствами. Речь идет о времени, необходимом клетке мозга для сбора входящих сигналов и ответа. Этот промежуток составляет несколько сотен миллисекунд и, по видимому, одинаков у многих типов животных и типов нейронов.
Компьютерное моделирование подтвердило гипотезу
Чтобы проверить эту идею, команда создала компьютерные симуляции небольших мозговых цепей. Ученые использовали хорошо известную математическую модель Курамото, которая представляет нейроны как простые осцилляторы, способные влиять друг на друга во времени. Каждая смоделированная цепь содержала пять модельных нейронов, чьи временные характеристики отражали свойства реальных клеток мозга.
Были проверены два вопроса. Во первых, зависит ли ритм небольшой схемы в основном от свойств отдельных нейронов или от того, как нейроны соединены между собой. Протестировав все 1665 возможных конфигураций соединений, команда обнаружила, что реакция в основном одинакова независимо от типа соединения. Во вторых, как схемы реагируют на сигналы с разной скоростью.
Выявился резонанс. Смоделированные цепи наиболее сильно реагировали на сигналы, поступающие с частотой, близкой к внутреннему темпу нейронов, около 2 ударов в секунду. Когда смоделированные нейроны имели слегка различающиеся внутренние скорости, резонансная кривая расширялась, позволяя цепи реагировать на сигналы с небольшими отклонениями. Тем не менее результаты предполагают, что мозг не очень хорошо приспособлен к фиксации темпа, который слишком сильно выходит за пределы диапазона от 0,5 до 4 долей.
Ограничения и выводы
Авторы признают, что их работа имеет ряд ограничений. Обзор темпов коммуникации животных не является исчерпывающим, и существует риск предвзятости отбора как в выборе примеров из опубликованной литературы, так и в содержании самой литературы. Ограничения человеческого восприятия могут влиять на то, что изучают и о чем сообщают исследователи. Вычислительная модель включает упрощения, в том числе использование модели Курамото без торможения и небольшой размер схемы.
Тем не менее то, что началось как случайное наблюдение на берегу тайской реки, переросло в смелую гипотезу о глубинной структуре коммуникации животных. Светлячки и сверчки в ту ночь не разговаривали друг с другом. Но, возможно, они реагировали на одно и то же ограничение, заложенное в физике каждого нейрона, слушающего в темноте.
