Рыбы понимают, что что-то не так, когда сосед внезапно исчезает

Фото из открытых источников

Крошечные стеклянные рыбки способны чувствовать опасность, не видя угрозы, используя внезапное исчезновение находящихся поблизости рыб в качестве предупреждающего сигнала. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Рыба в стае наблюдает за окружающими рыбами и копирует их действия. Когда одна рыба резко уплывает, остальные следуют за ней, поэтому предупреждение распространяется быстрее, чем любая отдельная рыба могла бы заметить опасность.

Новое исследование показало, что для предупреждения у крошечных стеклянных рыбок вообще не требуется видимый способ побега. Сосед, который просто исчезает из виду, заставляет рыбу отступить, подобно тому, как убегающая рыба отступает. Для этих рыб исчезновение партнера и его внезапный уход означают одно и то же.

Рыбы, участвовавшие в исследовании, выращивались в лаборатории и сталкивались с угрозами и сородичами на видеоэкранах, а не с реальными хищниками.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на Danionella cerebrum, стеклянной рыбке длиной около 12 миллиметров, получившей свое название в 2021 году. Ее тело достаточно прозрачно, чтобы ученые могли регистрировать активность ее мозга с помощью микроскопа, прямо через кожу.

Исследование возглавил Джо-Хсиен Ю из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Исследование проводилось в лаборатории Мэтью Ловетт-Баррона, доцента кафедры нейробиологии в Школе биологических наук университета.

«Каждая рыба в группе видит, как двигаются ее соседи, и реагирует на это движением — такое взаимодействие приводит к образованию стаи», — сказал Ловетт-Баррон. «Способность обращать внимание друг на друга помогает этим рыбам также обнаруживать опасность».

Команда построила квадратный резервуар размером примерно 265 миллиметров с каждой стороны, с видеоэкранами вдоль двух стен. Каждые семь минут на одном из экранов увеличивался размер темного шара, заменяющего атакующего хищника.

Сама по себе рыба почти не набирала скорость в течение полсекунды после того, как шарик перестал расти. Рыба в группе из четырех особей ускорилась почти в три раза сильнее.

Группы также распались, и рыбы оказались примерно в полтора раза дальше друг от друга, чем обычно, прежде чем снова собраться вместе примерно через 10 секунд. Такое рассредоточение может помешать хищнику преследовать каждую рыбу одновременно.

Рыбы, находившиеся рядом с экраном, увидели мяч раньше, а рыбы на противоположной стороне — позже. Те, кто увидел мяч позже, ускорили темп наблюдения, когда их сородичи увидели мяч раньше. Рыбы, которым так и не удалось четко рассмотреть рыбу, ускоряли движение только тогда, когда делили аквариум с другими рыбами, у которых такая возможность была.

Но и эти товарищи по группе тоже видели угрозу. Чтобы различить эти два явления, научный сотрудник Джефф Мейерхоф использовал программное обеспечение для видеоигр, чтобы создать анимированных стеклянных рыбок, которые выглядели и плавали как настоящие. Настоящие рыбы охотно плавали рядом с ними.

Затем команда настроила виртуальную рыбу на то, чтобы она уплывала всякий раз, когда настоящая рыба приближалась на расстояние примерно 16 миллиметров. Настоящая рыба исчезала с экрана, хотя никакой угрозы нигде не появлялось.

Каждая реальная рыба проплывала дальше, когда большее количество из пяти виртуальных рыб уплывало прочь.

Затем исследователи, удерживая стеклянных рыбок неподвижно под микроскопом, регистрировали активность тысяч клеток мозга, пока рыбки наблюдали за движущимися точками. Некоторые точки двигались в ритме прерывистого движения, характерном для плавания стеклянных рыбок: быстрый рывок сменялся скольжением. Другие же двигались плавно, так, как не плавает ни одна рыба.

Клетки среднего мозга реагировали сильнее на движения, напоминающие движения рыбы, чем на плавные, и особенно сильно, когда движущийся объект, напоминающий рыбу, внезапно резко удалялся.

Значительная часть этой активности исходит от зрительного бугорка (оптического тектума), центра зрения в среднем мозге. Он есть у животных всех возрастов, от рыб до птиц и приматов, и помогает им поворачиваться к тому, что они видят.

Затем последовал сюрприз. Те же самые клетки активировались, когда точки, похожие на рыбьи, просто исчезали в конце эксперимента, но они не реагировали, когда исчезала гладкая точка. Из более чем 5000 клеток, настроенных на внезапное движение, напоминающее движение рыбы, почти половина находилась в тектуме.

Во втором раунде рыбы наблюдали за реалистичными виртуальными стеклянными рыбами вместо точек. Компьютерная программа, обученная на этих записях мозговой активности, могла отличить движения, похожие на движения рыбы, от плавных движений примерно в 73% случаев.

На вопрос о том, сбежал ли партнер или исчез, ответ был верным лишь примерно в 50% случаев – не лучше, чем угадывание.

Когда стая реалистичных виртуальных рыб, плывущих рывками и скольжениями, исчезла, настоящая рыба отступила примерно на 70 миллиметров. Когда стая разбежалась, настоящие рыбы отступили примерно на 84 миллиметров, и эти две реакции существенно не отличались.

Когда виртуальная рыба ничего не делала, реальная рыба переместилась примерно на 40 миллиметров. Когда виртуальные рыбки плавно скользили по воде, реальные рыбки реагировали на побег или исчезновение точно так же, как и в случае, когда ничего не происходило.

Дикие представители рода Danionella cerebrum были обнаружены в мутной воде, где плохая видимость, и рыба может видеть далеко за пределами своих ближайших соседей.

Стеклянные рыбки могут двигаться достаточно быстро, чтобы убегающий сородич мог быстро исчезнуть из поля зрения. Таким образом, внезапное отсутствие соседа дает рыбе возможность почувствовать опасность, которую она не может увидеть сама.

«Это подчеркивает повторяющуюся тему в нейробиологии: нервные системы эволюционировали, чтобы функционировать в рамках ограничений естественной среды обитания организма», — сказал Ловетт-Баррон. «Для этих рыб значительная часть естественного визуального опыта заключается в наблюдении друг за другом, и их мозг очень чувствителен к восприятию действий этих социальных партнеров».

Исчезающий сосед сообщает рыбе о приближении опасности, но не указывает, с какой стороны она исходит. Авторы предполагают, что именно поэтому стеклянные рыбки разлетаются во все стороны, вместо того чтобы вместе уплывать от угрозы.

Ученые пока не знают, где начинается реакция на отсутствие партнера. Она может начинаться в структуре самого глаза или в нейронных цепях головного мозга. Рыбы в стаях также могут использовать движение воды, звук и запах для распознавания друг друга, а в данном исследовании проверялось только зрение.

Ловетт-Баррон сказал, что изучение мозга и поведения многих видов может показать, как мозг решает необычные задачи и что у них общего. «Хотя стайные рыбы и стаи птиц демонстрируют иное социальное поведение, чем люди, у нас есть общая черта: наш мозг эволюционировал таким образом, чтобы обращать внимание друг на друга и на действия друг друга».

Другие виды Danionella обитают в чистой, а не в мутной воде. Авторы описывают их как полезные для изучения того, как окружающая среда рыбы влияет на то, на что обращает внимание ее мозг.