Конкурс «био/мол/текст»-2013

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Лучшее новостное сообщение».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Изучение поискового поведения животных — одна из наиболее нестандартных задач биологии, и ее решение может быть интересно далеко не только биологам. Способность животных ориентироваться в огромном мире, опираясь на одни лишь инстинкты, свидетельствует о наличии у них эффективных алгоритмов поиска. Расшифровка этих алгоритмов могла бы помочь в создании автоматических устройств, роботов, которые должны уметь находить что-либо без прямого вмешательства человека — например, на поверхности другой планеты. Насекомые удобны для изучения поискового поведения тем, что для коммуникации на расстоянии они активно используют химические сигналы, и это умение доведено у них практически до совершенства. Так, хорошо известна способность самцов многих бабочек обнаруживать присутствие самки на расстоянии в несколько километров. Статья французских исследователей, вышедшая недавно в журнале PLoS ONE [1], сообщает о том, как комбинация методов нейробиологии, компьютерного моделирования, теории игр и даже экспериментов с киборгом позволяет детально рассмотреть механизм, с помощью которого насекомые могут находить источник запаха.

Это «ж-ж-ж» — неспроста!..

Когда в 1870 году известный энтомолог Анри Фабр наблюдал за появлением молодой самки павлиноглазки из куколки, его внимание привлекли слетевшиеся к его дому самцы бабочек этого же вида. Заинтересовавшись такой проницательностью со стороны визитеров, Фабр стал переносить самку из комнаты в комнату, но назойливые поклонники неизменно следовали за ней. Подобное явление, уже известное натуралистам того времени, было принято списывать на наличие «телепатической» связи между особями. Однако Фабр сделал смелое предположение о химической природе сигнала и даже провел убедительный эксперимент — так, если он передавал запах самки какому-либо предмету, то уже этот предмет становится привлекательным для самцов. Кроме того, Фабр даже обнаружил органы восприятия запаха у насекомых — это оказались расположенные на голове антенны, лишившись которых, самец терял все свои поисковые таланты.

Полностью предположение Фабра было подтверждено лишь в середине XX века, когда группа немецких ученых под руководством Адольфа Бутенандта выделила вещество, с помощью которого самки тутового шелкопряда привлекают партнеров. Тела почти полумиллиона бабочек стали сырьем для получения нескольких миллиграммов вещества, позднее названного бомбиколом (от латинского названия тутового шелкопряда — Bombyx mori). Бомбикол оказался первым из множества открытых впоследствии веществ, получивших собирательное название феромоны. С их помощью насекомые привлекают полового партнера, указывают дорогу к дому или к источнику пищи, отмечают границу индивидуальной территории, сообщают об опасности или даже маскируются под другой вид. Словом, феромоны для насекомых — это настоящая социальная сеть, позволяющая черпать информацию в буквальном смысле из воздуха. И за миллионы лет эволюции насекомые научились делать это мастерски.

Холодно — горячо

Насекомым в их поисках помогают необычайно чувствительные рецепторы, способные выхватить из воздуха совершенно ничтожные концентрации феромонов. Так, минимальная действующая концентрация бомбикола в воздухе составляет всего 10⁻¹² мкг/мл. Это означает, что для обнаружения сигнала самцу тутового шелкопряда достаточно одной молекулы феромона среди 10¹⁶ молекул других веществ. Однако мало просто обнаружить феромон — гораздо важнее понять, откуда он появился.

Приняв химические «позывные», самец может сразу полететь по прямой в ту сторону, где, по мнению его инстинктов, находится самка. Ориентирами ему будут служить ветер и возрастающая концентрация феромона в воздухе. Однако проблема в том, что количество феромона не всегда монотонно возрастает по мере приближения к источнику. Порывы ветра, сложный характер рельефа и растительности приводят к тому, что химическая нить, которая должна привести самца к его цели, часто оказывается запутанной и даже прерывистой. Поэтому стратегия, побуждающая быстро лететь по взятому однажды направлению, хотя и может быстро вывести самца к цели, но способна и наоборот — увести в совершенно противоположном направлении. Можно представить обратную стратегию, когда самец долго петляет и кружит, словно в детской игре «холодно—горячо», пытаясь максимально точно определить направление, в котором его ждет самка. Этот подход кажется более надежным, но если самец излишне промедлит, его наверняка опередят более рисковые соперники.

Авторы обсуждаемой статьи решили проверить, насколько верна предложенная в 1988 году стратегия [2], согласно которой существует следующий, очень несложный, алгоритм действия самцов: если во время движения самец последовательно получает сигналы, свидетельствующие о наличии в воздухе феромонов, ему следует продолжать движение в том же направлении. Как только сигнал теряется — приступать к поиску. Несмотря на кажущуюся очевидность, в руках у исследователей долгое время не было данных о существовании механизма, способного реализовать такую стратегию.

Под колпаком у нейрофизиологов

Для проверки своих идей авторы использовали математическую модель Ходжкина— Хаксли, описывающую генерацию и распространение потенциалов действия в нейронах. В нее были заложены параметры, измеряемые в головном мозге настоящей, живой бабочки. В качестве такого живого объекта выступал самец совки-ипсилон (Agronis Ipsilon). Это бабочка семейства совок, получившая свое название за геометрический узор на крыльях, напоминающий греческую букву ипсилон (Υ). Она заработала себе чрезвычайно скверную репутацию, поражая посевы почти всех сортов овощей и многих злаков в умеренных и субтропических странах обоих полушарий. Такой широкой распространенностью, помимо всеядности, она обязана способности перемещаться со скоростью более 100 км/ч на высоте 300–600 м, используя в качестве попутного ветра холодные фронты. Правда, скорость совки в безветренную погоду гораздо скромнее — 9–13 км/ч, но для организма с длиной тела в пару сантиметров это тоже очень неплохо. Поэтому и способность к поиску у совки должна быть выражена особенно ярко.

Исследователи регистрировали внеклеточную активность нейронов самца совки в той части обонятельной доли мозга, которая обрабатывает информацию о феромонах. Была выделена группа нейронов, которые реагировали на появление молекулы феромона сначала сильным скачком возбуждения (в терминах авторов статьи — режим On), затем — быстрым подавлением возбуждения, а в завершении — сравнительно долгим «хвостом» (режим Off), при котором возбуждение было значительно меньше, чем в первой фазе, но при этом все равно превышало базовый уровень возбуждения нейрона (рис. 1).

На основе ряда догадок авторы предположили, что фаза подавления возбуждения в нейроне опосредована работой кальций-активируемых калиевых каналов малой проводимости (SK). Эти каналы высококонсервативны и встречаются не только у насекомых, но и, например, у человека. Более того, вероятно, они играют важную роль в процессах обучения и памяти. Однако гипотезу об их роли в нейронах совки проверить оказалось не так просто. Лучший способ узнать, зачем нужен тот или иной элемент — это сломать его и посмотреть, что изменится. С этой целью в случае исследования рецепторов обычно применяют специальные вещества — антагонисты, которые специфически блокируют тот или иной рецептор, и по изменившимся свойствам системы позволяют судить о его роли. Однако наиболее распространенный антагонист SK-каналов — апамин (который, кстати, является одним из компонентов пчелиного яда) — неэффективен в экспериментах с насекомыми. Чтобы не углубляться в фармакологию, авторы решили сымитировать работу таких каналов в модели Ходжкина—Хаксли и попробовать понять, насколько этот параметр важен для успешного поиска.

Пять с половиной сантиментов в секунду

В идеале, чтобы узнать, как чередование фаз активности нейрона влияет на поисковое поведение совки, следовало бы провести измерение мозговой активности насекомого в полевых условиях, сопровождая его наблюдением за полетом бабочки. Однако на практике такая задача едва ли реализуема. Поэтому авторы приняли решение создать устройство, в котором роль детектора феромонов играл бы самец совки, роль вычислительного центра, принимающего решения — математическая модель нейрона, а роль носителя всего этого — робот под названием Khepera III от фирмы K-Team. Полученный агрегат авторы с полным на то право именовали киборгом (рис. 2).

В качестве арены для испытаний использовали площадку в 4 метра длиной и 2,5 метра шириной. Устройство-киборг располагалось в двух метрах от источника феромонов, а еще в 5 метрах от источника находился вентилятор, направляющий струю воздуха к насекомому. Сам источник феромонов представлял собой кусочек фильтровальной бумаги, пропитанный 10–20 микролитрами раствора, содержащего 1 мкг/мл приманки, состоящей из трех главных компонентов феромона (ацетилированные ненасыщенные спирты с длиной углеродной цепочки в 12, 14 и 16 атомов). Аппарат двигался со скоростью 5,6 сантиметра в секунду. Цель считалась найденной, если прибор оказывался на расстоянии менее 20 см от приманки.

Один поиск — хорошо, а два — лучше

Некоторая трудность заключалась в решении, какой характер поисковых движений лучше всего использовать. Сначала авторы рассмотрели стратегию, включающую лишь один вид поиска, при которой в случае потери сигнала конструкция начинала совершать петлеобразные движения (рис. 3А). Такую стратегию часто используются насекомые, и с точки зрения теории игр она вполне надежна. Расчеты предсказывают, что, если шлейф феромонов представляет собой линию без каких-либо разветвлений и колебаний, то при такой стратегии поиска максимальное расстояние, которое необходимо будет пройти для гарантированного достижения цели, составит 22,5×D, где D — кратчайшее изначальное расстояние до источника.

Авторы рассмотрели и двухступенчатую стратегию поиска, при которой характер поискового движения зависит от того, насколько давно была потеряна химическая нить. Тоническое возбуждение нейрона (режим Off) может служить чем-то вроде кратковременной сенсорной памяти, указывая на то, что верный след еще совсем недавно был где-то рядом. В этом случае наиболее выгодно поискать пропавший шлейф, двигаясь перпендикулярно направлению ветра рядом с тем местом, где след был потерян. Теория игр подсказывает, что в этом случае наиболее выгодным стало бы движение зигзагом, с удвоением длины пути на каждом шаге. Если же такой поиск не принес результатов, то следует приступать к полноценному поиску с петлевыми движениями (рис. 3Б). Такая стратегия гарантирует, что цель будет найдена при прохождении не более 9,1×D метров расстояния.

При реализации двухступенчатой стратегии в экспериментах с киборгом авторы вынуждены были принять во внимание, что скорость реакции насекомого значительно выше, чем скорость движения киборга, то есть такую схему невозможно реализовать в режиме онлайн. Поэтому они просто предполагали, что после потери сигнала киборг должен выполнять зигзагообразные движения на протяжении 19 сек, а дальше действовать в зависимости от поступающей информации.

Как и ожидалось, стратегия двухступенчатого поиска оказалась более эффективной — в ее случае среднее пройденное киборгом расстояние составило 3±1 метр, в то время как при выполнении одноступенчатой стратегии поиска оно было 4±2 метра. Доля успешных попыток в таких экспериментах составила 96%, то есть киборг практически всегда находил цель. При этом в той модели, которая не учитывала действие SK-каналов (а, следовательно, не имела фазы подавления возбуждения), киборг практически никогда не мог добраться до источника феромонов (доля успешных попыток — 9%), а среднее пройденное расстояние при этом составляло 15±5 метров. Это говорит о том, что подавление возбуждения, скорее всего, необходимо, чтобы предотвратить движение насекомого по прямой в течение слишком долгого времени. Мозг словно «обнуляет» информацию после поступления каждого дискретного сигнала, каким является молекула феромона, и за счет этого все время готов принять новый сигнал с самой актуальной информацией. Также авторы обнаружили, что если снимать показания не с одного единственного нейрона, а с группы (2–3 нейрона), то вероятность ошибки системы значительно снижается. Работая только с данными, которые поступали с двух нейронов синхронно, киборг даже в эксперименте с одноступенчатой стратегией поиска достигал цели, пройдя в среднем 1,14±1,23 метра. Видео, зафиксировавшее движение киборга к приманке в случае как одноступенчатого, так и двухступенчатого поиска, можно посмотреть на странице статьи в электронной версии журнала PLoS ONE.

Полученные результаты позволяют не только объяснить механизм уже известной биологам поведенческой модели, но и сделать ряд проверяемых предсказаний. Так, продолжительность различных фаз в математической модели хорошо согласуется с полевыми наблюдениями. Также при моделировании высокой частоты поступающих импульсов не наблюдался режим Off, и это подтверждают наблюдения, свидетельствующие, что при высоких концентрациях феромона насекомое летит практически по прямой, не отвлекаясь на поиск. Авторы полагают, что помимо академического интереса и разработки новых экспериментальных подходов, их работа может быть полезна при создании нейротехнологий, направленных на детектирование токсичных газов, поиск наркотиков или взрывчатых веществ.

Литература

1. Dominique Martinez, Antoine Chaffiol, Nicole Voges, Yuqiao Gu, Sylvia Anton, et. al.. (2013). Multiphasic On/Off Pheromone Signalling in Moths as Neural Correlates of a Search Strategy. PLoS ONE. 8, e61220;
2. Baker T.C. and Vogt R.G. (1988). Measured behavioural latency in response to sex-pheromone loss in the large silk moth Antheraea polyphemus. J. exp. Biol. 137, 29–38.