Животные ориентируются на невидимые запаховые следы, которые оставляет ветер

Фото из открытых источников

Запах редко распространяется в воздухе на открытом воздухе в виде непрерывного потока. Ветер разбивает облако запаха на движущиеся полосы и промежутки, поэтому животное может уловить всплеск, затем ничего, а затем еще один слабый след.

Собаки, насекомые и другие животные используют эти искаженные сигналы для отслеживания источников запаха, от партнеров до пропавших людей. Однако физические процессы, изменяющие запах до того, как он достигнет носа или усика, по-прежнему трудно описать.

Новый анализ показывает, что турбулентный воздух, наполненный нерегулярными завихрениями, изменяет временную закономерность распространения запаха тремя основными способами. Полученные результаты предоставляют биологам основу для изучения того, как животные могут распознавать эти изменения, двигаясь в направлении источника в изменяющемся наружном воздухе. Результаты исследования опубликованы в журнале PRX Life.

Запаховое облако — это движущийся след из молекул ароматических веществ, уносимый от источника запаха.

Ветер, толкая облако дыма вперед, создает вихревые потоки воздуха, которые растягивают, складывают, вращают и перемешивают его, создавая короткие вспышки запаха, разделенные периодами чистого воздуха.

«Может быть внезапный всплеск запаха, короткий глоток, а затем на некоторое время пустота, и животные каким-то образом распознают все это, чтобы найти источник», — говорит ведущий автор исследования Элле Старк из Университета Колорадо в Боулдере (CU Boulder).

Старк с коллегами сосредоточились на том, как часто интенсивность запаха повышается и понижается, — характеристике, которую они описывают как частотный состав сигнала. Время реакции имеет значение, поскольку обонятельная система животных способна реагировать на быстрые изменения, а не только на стабильный уровень запаха, поэтому короткие вдохи являются полезными сигналами, а не просто прерываниями.

Команда создала компьютерную модель, которая моделировала движение воздуха по плоской поверхности. Постоянный поток проходил через цилиндры, создавая изменяющееся поле нерегулярных завихрений.

Исследователи запускали виртуальные пакеты с запахами и отслеживали, сколько времени требовалось каждому из них, чтобы достичь семи датчиков, расположенных на разных расстояниях. Они также следовали за группами парами, поскольку промежуток времени между прибытиями показывает, как менялась первоначальная схема движения.

Исследователи преобразовали временные зависимости в спектр мощности — диаграмму, показывающую, насколько медленно или быстро изменяется сигнал. Моделирование длилось 180 секунд, сохраняло 50 показаний в секунду и варьировало скорость распространения молекул запаха, расположение датчиков и их размер.

«Понимая, как воздух и ветер преобразуют запаховые сигналы, мы сможем лучше понять навигационное поведение животных и в конечном итоге имитировать его в самых разных областях, от поисково-спасательных операций до обнаружения утечек опасных химических веществ», — говорит Старк.

Первое изменение заключалось в частотной фильтрации. Короткие вспышки запаха быстро затухают по мере распространения аромата, в то время как более длительные и медленные изменения можно обнаружить на большем расстоянии.

Второе изменение касалось распространения запахов. Вихри в воздухе разбивают каждый запах на несколько похожих, вместо того чтобы распространять его в неизменном виде. Третье изменение касалось генерации частоты. Даже когда запах распространялся непрерывно, завихрения воздуха заставляли его интенсивность возрастать и убывать по мере распространения.

«Эти преобразования, вероятно, являются важными составляющими того, как животные интерпретируют обонятельные сигналы, чтобы определить расстояние и направление до источника запаха», — сказал соавтор исследования профессор Джон Кримальди из Университета Колорадо в Боулдере.

Вблизи источника запаха временная закономерность по-прежнему содержит больше информации о том, как именно этот источник его распространил. На большем расстоянии быстро исчезают детали, сохраняются медленные изменения, и большая часть нового рисунка формируется окружающим потоком, а не самим источником.

Это могло бы дать животному подсказки о расстоянии, но в исследовании не изучалось поведение животных. Авторы предполагают, что животное, знакомое с ритмом источника звука, может обнаруживать больше таких паттернов по мере приближения к нему и меньше — по мере удаления.

Более широкий датчик улавливал больше пакетов с запахами, имеющих схожее время прибытия, что позволяет предположить, что длинная антенна насекомого может более интенсивно регистрировать некоторые потоки запахов, чем короткая антенна в тех же условиях.

Более удаленные датчики показали более сильную фильтрацию, более широкое распространение и большую мощность ритмов, создаваемых потоком. Эта закономерность дает четкий ориентир для будущих экспериментов на животных.

«Животные используют то, что мы называем активным восприятием запахов, которое включает в себя перемещение в зоне распространения запаха, подергивание усиками, обнюхивание или другие действия, изменяющие сигнал запаха», — отмечает Старк.

Таким образом, сигнал, достигающий нервной системы, отличается от сигнала, первоначально попавшего в воздух.

«В будущих исследованиях можно будет проанализировать, как каждый этап преобразует обонятельный сигнал, и тогда мы сможем понять, как животные используют его для ориентации», — говорит Старк.

«Наша работа показывает, что к тому моменту, когда запах достигает животного, воздушный поток уже преобразует сигнал», — отметил соавтор исследования Джон Кримальди. «Следующая задача — понять, как нервная система использует эту преобразованную информацию».

В работе использовалась плоская модель, а не живое животное или полевой эксперимент, в то время как естественный поток воздуха движется в трех измерениях вокруг деревьев, травы, зданий и поверхности земли.

Данная модель также предполагает, что запах пассивно распространяется в воздухе, поэтому при образовании необычно плотных шлейфов или шлейфов, поднимающихся вверх из-за большей температуры или меньшей плотности, могут потребоваться изменения.

Некоторые детали того, как пакеты с запахом, выпущенные близко друг к другу, продолжают двигаться по схожим траекториям, по-прежнему трудно смоделировать, и авторы отмечают необходимость проведения испытаний в реальных условиях.

Полученные результаты не доказывают, что животные используют именно эти временные ориентиры, но они указывают на четкие закономерности, которые можно проверить в будущих экспериментах.

Главная мысль заключается в том, что прерывистый шлейф запаха — это не просто случайный шум. Ветер изменяет его форму упорядоченным образом, что может помочь объяснить, как животные находят источник запаха, и может служить ориентиром для систем искусственного обоняния в поисково-спасательных операциях и обнаружении утечек химических веществ.