Как лангусты улавливают запахи короткими усиками

Карибский лангуст получает химическую информацию из воды короткими усиками — антеннулами. Их движения помогают доставлять растворённые вещества к чувствительным волоскам.

Как усик берёт пробу воды

В работе 2001 года исследователи изучали физический захват пахучих веществ, предшествующий обработке сигнала нервной системой. Сначала движения усиков записали на скоростное видео. Затем их воспроизвели с помощью устройства, собранного из сброшенного панциря и приводимого мотором усика. Обычный взгляд на живого лангуста не позволил бы проследить невидимые потоки между тонкими волосками.

Вместо запаха использовали светящийся краситель, а его перемещение наблюдали в лазерном свете. При быстром движении усика вниз вода проникала между чувствительными волосками. Когда усик возвращался медленнее, захваченная вода задерживалась внутри этого участка до следующего быстрого движения. Поэтому серия взмахов могла давать отдельные пробы окружающего потока.

Исследование показало, как к чувствительной поверхности поступает неоднородная химическая информация. Оно не установило, какие именно мелкие различия концентрации животное использует для решения, куда идти. Физическое поступление сигнала и его дальнейшее распознавание мозгом требуют разных проверок.

Зачем учитывать расположение волосков

В исследовании 2008 года учёные построили увеличенную физическую модель чувствительного участка антеннулы. Масштабирование сохраняло необходимые условия движения жидкости. Поток между волосками измеряли по перемещению частиц, что позволяло рассмотреть влияние формы, положения и скорости усика.

Оказалось, что скорость и продолжительность быстрого движения обеспечивали замену воды внутри массива волосков. Их зигзагообразное расположение вместе со смещённой ориентацией помогало выравнивать скорость потока вдоль чувствительных поверхностей. Такое устройство сокращало толщину слоя воды непосредственно возле волосков, через который растворённым молекулам нужно пройти.

Возвратное движение было примерно вчетверо медленнее быстрого взмаха, а скорость жидкости между волосками — примерно в двадцать пять раз ниже. Удержанная вода оставалась почти неперемешанной, и молекулы получали время дойти до поверхности за счёт диффузии. Диффузия здесь означает распространение молекул благодаря их собственному тепловому движению. Эти соотношения относятся к изученной системе и условиям модели, а не к обязательному темпу каждого лангуста.

Почему запах меняет частоту движений

Другая работа 2008 года проверяла, какие чувствительные структуры участвуют в реакции антеннул на запах. Учёные сравнивали частоту движений в ответ на вытяжку из кальмара после разных вмешательств в чувствительный аппарат и после контрольной процедуры.

Удаление определённого типа обонятельных волосков устраняло вызванное запахом усиление движений. Воздействие на внутренние ветви антеннул тоже уменьшало ответ: средняя частота составляла чуть больше половины контрольного значения. Однако удаление некоторых других типов волосков такого изменения не вызывало. Следовательно, наличие волоска само по себе ещё не показывает его роль в этой реакции.

Авторы предположили участие двух путей химической чувствительности. Их нервные окончания направляются в разные участки мозга. Такой опыт связывает устройство усика с поведением, но проверяет конкретный ответ на конкретный стимул. Ослабление движения нельзя автоматически приравнять к полному исчезновению всех химических ощущений, а вытяжку из кальмара — к любому запаху морской среды.

Что известно о возможных рецепторах

В работе 2018 года исследователи сравнили активные гены чувствительных ветвей антеннул, концов ходильных ног и мозга. У лангуста химическая чувствительность распределена шире, чем только один обонятельный участок: некоторые чувствительные структуры принимают также механические сигналы. Поэтому различия между органами имеют значение для объяснения их функций.

Учёные обнаружили множество предполагаемых рецепторных белков нескольких классов. Особенно разнообразными оказались ионотропные рецепторы — белки, связанные с работой каналов для заряженных частиц. На чувствительных ветвях антеннул их было больше, чем на исследованных концах ног. Дополнительное окрашивание ткани показало присутствие одного из таких белков в нескольких типах чувствительных клеток и определённых клетках мозга.

Однако функции найденных белков в этой работе не испытывали. Обнаруженная последовательность гена или присутствие белка ещё не объясняет, на какую молекулу он отвечает. Исследование уточняет набор возможных участников химического восприятия. Для установления конкретной чувствительности каждого из них нужны отдельные функциональные опыты.