В Московском зоопарке впервые нашли эхолокацию у наземного млекопитающего

Ученые из Московского зоопарка, Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова, Биологического факультета МГУ и Зоологического института РАН впервые обнаружили эхолокацию у наземного млекопитающего. Они вели наблюдения за вьетнамскими карликовыми сонями (Typhlomys chapensis) в Московском зоопарке и доказали, что маленькие шустрые грызуны совершенно слепы и, несмотря на это, прекрасно ориентируются в пространстве -- при помощи ультразвука. Тифломисы - малоизученный вид грызунов, обитающий в лесах северного Вьетнама.

До сих пор настоящая ультразвуковая эхолокация была известна только для рукокрылых (летающих в воздухе) и китообразных (плавающих в толще воды). Все попытки найти ультразвуковую эхолокацию у грызунов и насекомоядных не увенчались успехом.

Мы публикуем статью, написанную для нас одним один из авторов исследования -- Александрой Панютиной

СЛЕПОЙ АКРОБАТ

Впервые маленький юркий зверек, обитающий в подстилке, но передвигающийся по ветвям деревьев с ловкостью, доступной не каждой белке, был заподозрен в способности эхолоцировать еще во Вьетнаме. Алексей Абрамов и Антон Щинов – зоологи, давно работавшие в Российско-Вьетнамском тропическом центре, впервые поймали несколько живых роющих сонь в 2010 году. Небольшой темно-серый грызун, с почти незаметными крошечными черными глазками, двигался молниеносно и все время водил ушами, напоминая этим летучую мышь. Известно, что летучие мыши используют для ориентации в пространстве не зрение, а слух. Их метод ориентации называется "ультразвуковая эхолокация". Зверек испускает высокочастотный сигнал (более 20 кГц) через рот или через нос (тот или иной способ характерен для разных групп рукокрылых) и слушает отраженное от предметов эхо. Чувствительность эхолота летучих мышей столь высока, что они могут "услышать" даже небольшое насекомое на расстоянии в несколько десятков метров.

Однако первые эксперименты с бэт-детектором (приборчик для изучения летучих мышей, позволяющий переводить их ультразвуковые сигналы в слышимый для человека диапазон) ничего не дали. Тифломисы как будто не издавали никаких звуков – ни в нормальном для человека диапазоне, ни в слышимом через детектор.

Меж тем, эти удивительные зверьки попадались во Вьетнаме не только на земле, но и на ветвях деревьев. До решения загадки, как зверек со столь маленькими глазами может лазать по ветвям, да к тому же ночью, оставалось еще три года.

Рис. 1. Роющая соня Typhlomys chapensis на ветке дерева
 Роющая соня Typhlomys chapensis на ветке дерева

Тут нужно пояснить, почему же маленькие глаза не годятся для ориентации в темноте. Многие могут возразить, что, мол, "маленькие, но хорошие". В отношении глаз это принципиально не так. Дело в том, что светочувствительные рецепторы в глазу расположены на сетчатке. А сетчатка выстилает дно глазного яблока. Чем больше ее площадь, тем больше рецепторов может на ней поместиться. А каждый рецептор – это ловушка для квантов света (фотонов). С рецепторов собирается информация, которая позволяет оценить уровень освещенности (и цвет, в случае цветного зрения) в конкретном участке внешнего пространства, которой проецируется на эту группу рецепторов. Эта информация, в свою очередь, обрабатывается в зрительных центрах, преобразуясь в картинку, которую видит животное. Так что чем больше рецепторов, тем больше шансов различить хоть что-то. Сетчатку нельзя свернуть складками (как кору головного мозга), чтобы сделать ее площадь больше – тогда свет не будет попадать равномерно и сфокусированно на рецепторы, и это не добавит зрению остроты, а, наоборот, размажет картинку, сделав ее "нечитаемой".

Поэтому размер глаз очень важен. Особенно для ночных и глубоководных животных, потому что большой глаз впускает больше квантов света, а в темноте они буквально наперечет. У совы они, например, столь велики, что не могут даже поворачиваться в глазницах – сове приходится крутить головой, чтобы посмотреть вбок.

Так что маленькие глазки тифломисов однозначно говорили в пользу того, что зрение – не их конек. Но как же они ориентируются? Обоняние и вибриссы могут помочь в лесной подстилке, но при прыжках с ветки на ветку от них толку мало.
В конце 2012 года пара тифломисов попала в Московский зоопарк. Зверьки прижились и неизменно поражали сотрудников зоопарка своими ловкими прыжками. Не успевал человек открыть клетку – зверек тут же вылетал в появившуюся щель. Такого не делал до этого ни один из обитателей. Обычно при открывании клетки, зверьку требуется некоторое время, чтобы глаза привыкли и разглядели новую возможность, и уж потом можно прыгать. Этой задержки вполне достаточно, чтобы отловить для чистки вольера или пересадки любых маленьких обитателей зоопарка. Но с тифломисами этот фокус не работал. При этом они хранили строгое молчание – ни единого звука за все время киперы от них так и не услышали.

В начале 2013 года эти зверьки заинтересовали группу биомехаников из ИПЭЭ РАН и МГУ, занимающихся локомоцией древесных млекопитающих. Были проведены первые съемки и стало ясно – зверьки ведут себя совершенно не так, как другие мелкие грызуны. Да и не только грызуны, они не были похожи по поведению ни на землероек, ни на тупай, ни на гимнур. И характерные движения ушей, постоянно сопровождающие все перемещения зверька, на скоростной видеосъемке особенно бросались в глаза.

Поскольку один из исследователей большую часть своей жизни занимался летучими мышами, первым делом тифломисов протестировали с помощью бэт-детектора. Но сигналов уловить не удалось. В процессе работы стало ясно, что хотя в зоопарке зверьки вели строго ночной образ жизни, они одинаково комфортно ориентируются как в полной темноте, так и при ярком свете. Очевидно, что они предпочитают тьму, но свет им нисколько не мешает: они активно вели исследовательскую деятельность в новых клетках даже при слепящем свете 500-ватных галогеновых прожекторов (для высокоскоростной съемки необходим очень яркий свет).

На удачу биомехаников, группа биоакустиков зоопарка незадолго до этого случая приобрела прибор для изучения ультразвуковых сигналов животных. Этот высокочувствительный прибор был предназначен не только для летучих мышей, но и для более слабых сигналов других животных.

Рис. Запись сигналов рощей сони при беге по ветвям
Запись сигналов роющей сони при беге по ветвям

В первом же эксперименте с тифломисами оказалось, что все записи густо заполнены повторяющимися "пачками" сигналов, очень схожих "по рисунку" с сигналами большинства летучих мышей. Основная частота их составляла около 100 кГц. Для рукокрылых средней полосы России это очень высоко, а вот многие тропические виды эхолоцируют именно на такой частоте. При этом сигналы удивительных вьетнамских зверьков были очень тихие – иногда, когда зверек бежал в направлении от микрофона, удавалось записать лишь отраженное от стекла эхо.
Рис. 2. Расшифровка записи сигналов роющей сони.
Расшифровка записи сигналов роющей сони.

До сих пор настоящая ультразвуковая эхолокация была известна только для рукокрылых (летающих в воздухе) и китообразных (плавающих в толще воды). Все попытки найти ультразвуковую эхолокацию у грызунов и насекомоядных не увенчались успехом. Хотя многие грызуны, особенно новорожденные, кричат на высоких частотах, не удалось показать, что они ориентируются при помощи эха от этих звуков. Да и звуки эти по структуре своей не похожи на эхолокационные крики летучих мышей.

Почему же из всех наземных млекопитающих только тифломис обладает этой удивительной чертой? Дело в том, что ультразвуковая эхолокация хороша при ориентации в среде, где объекты (препятствия или добыча) хорошо отличаются от фона по звукоотражающим свойствам. Такой средой является вода и воздух. А вот на земле ловить эхо от ультразвуков – не самая удачная идея. В лесной подстилке или в траве отраженный от множества хаотически расположенных объектов звук просто забьет все информативные сигналы (как музыка, включенная во время разговора). Но совсем другое дело – ветви деревьев. Прыгая в темноте между ветвями, ориентироваться при помощи звука очень удобно. Не приходится тратить время на высматривание точки приземления перед прыжком (многие ночные летяги долго сидят на ветке прежде чем прыгнуть, вглядываясь в темноту в поисках подходящего дерева). Тифломису же "ответ" приходит за миллисекунды. Он значительно опережает любого хищника по скорости получения информации об окружающей среде при очень слабом свете. Кроме того, он может точно так же ориентироваться в полной темноте, когда полагающийся на зрение хищник просто бессилен.

Почему же этот способ ориентации не освоили летяги? Ведь они планируют между деревьями в темноте, и подспорье в виде эхолокации было бы им совсем не лишним.

Дело в том, что эхолокация – энергетически очень дорогой способ. В отличие от зрения (которое позволяет бесплатно принимать даровые кванты света), крики сопряжены с расходом энергии. Поэтому эхолоцирующие звери стараются экономить. Например, летучие мыши часто не издают сигналов, летя по знакомому пути. Это точно так же, как мы бежим дома в ванную комнату, не включая свет или с закрытыми глазами. Все хорошо, пока кто-нибудь на поставит на знакомой дороге стул. Именно благодаря этому стремлению отключать дорогостоящий локатор, летучих мышей удается поймать паутинными сетями. Они, конечно, прекрасно их "слышат", но если поставить сети на знакомом пути, где эхолот для экономии энергии отключен, ловушка сработает.

Поскольку способ энергозатратный, переходить на него при наличии нормального зрения не особенно выгодно. Тем более, когда на начальных этапах эволюции эхолокационной системы она еще не совершенна, а глаза дают достаточный объем информации. Однако предки тифломисов, судя по всему, потеряли зрение раньше, чем начали ориентироваться с помощью ультразвука. Их сетчатка имеет складки, как у подземного зверька, голого землекопа. А количество клеток, передающих информацию с сетчатки в мозг, как у крота. Разрешающая способность глаза тифломиса примерно равна таковой фотокамеры с матрицей 50*50 пикселей. Согласитесь, совсем не много. А уж для ночной съемки – вообще ничто!

Изображение размером 1000*1000 пикселей (1 Мегапиксель – во много раз меньше, чем в глазу человека)
Изображение размером 1000*1000 пикселей
(1 Мегапиксель – во много раз меньше, чем в глазу человека)
То же изображение размером 50*50 пикселей
То же изображение размером 50*50 пикселей



Видимо, предки тифломисов жили в лесной подстилке тропического леса, где постепенно утратили зрение, пользуясь обонянием и вибриссами. Но на какой-то стадии эволюции они стали осваивать древесный ярус – возможно, в поисках корма. Здесь-то и пригодилась зачаточная способность слышать ультразвук (для грызуна такого размера это естественная способность: даже крысы слышат ультразвуковые крики своих детенышей, а уж более мелкие зверьки – и подавно). А вот что произошло со звукоиздающим аппаратом у тифломисов – пока неизвестно. Но, вероятно, они издают сигналы, как и большинство летучих мышей – тонкими голосовыми связками. Ведь при небольших размерах тела эти "струны" тоже уменьшены, так что и вибрируют чаще.

Предки летучих мышей, скорее всего, также приобрели способность к ультразвуковой эхолокации во время стадии жизни на деревьях, прыжках и планировании между ветвями в темноте. Однако, в отличие от предков тифломисов, предки рукокрылых не утратили зрение. Оно и у современных летучих мышей не очень хорошее, но значительно лучше чем у карликовой сони! Многие крупные рукокрылые вернулись к использованию зрения при ориентации (практически все крылановые) и иногда даже при поиске добычи (хищные рукокрылые, охотящиеся на лягушек, ящериц и других позвоночных).

Так что тифломис представляет собой в некотором роде живую "модель" предка рукокрылых, но с оговорками. Он уже обитает на деревьях, ловко прыгает между ветвями, эхолоцирует. Но поскольку он шел совсем другим путем, есть и отличия – он уже утратил зрение, и вряд ли оно восстановится у его потомков.

к.б.н. А.А. Панютина (ИПЭЭ РАН)