Можно ли охотиться вслепую? Секрет звездопалых земноводных

У суринамской пипы (Pipa pipa) на передних конечностях располагается в общей сложности 128 крошечных лобул — мягких выростов, превращающих пальцы этого земноводного в высокочувствительные органы осязания. Эти плоские лягушки с крошечными глазами обитают в мутных водах бассейна Амазонки и ведут скрытный образ жизни, поджидая добычу с растопыренными лапами. Новое исследование биологов из UCLA, представленное в материале на Phys.org, раскрывает, как именно амфибия улавливает рыбок в условиях почти нулевой видимости. Животное не полагается на зрение, которое в замутнённой среде бесполезно, а использует необычные «звёздчатые» пальцы, замеченные натуралистами ещё в XIX веке, но до сих пор не получившие научного объяснения. Каждое движение воды становится для хищника сигналом к молниеносной атаке, длящейся сотые доли секунды.

Необычная анатомия конечностей амфибии

Каждый палец передней лапы суринамской пипы заканчивается не когтем и не подушечкой, а пучком из 16 маленьких долек. В совокупности на двух передних конечностях их насчитывается 128. Такое строение издавна удивляло учёных: ещё в позапрошлом столетии анатомы описывали, как кончик делится на четыре части, а те, в свою очередь, снова дробятся на четыре.

Дункан Лич, профессор интегративной биологии и физиологии UCLA, вспоминает: «Я читал анатомический отчёт, где описано, как кончики пальцев суринамских пип делятся на четыре, а каждый из тех снова на четыре. Сразу показалось, что эти лепестки чем-то похожи на антенны, которые лягушка выставляет, чтобы ощущать пространство вокруг».

• поверхность каждой лобулы покрыта куполообразными сосочками — папиллами;
• плотность этих образований в четыре раза выше, чем на остальной коже пальцев;
• подобные структуры у человека можно найти на языке, где они усиливают тактильность.

Таким образом, лобулы оказываются своеобразной тактильной фовеа — участком с повышенным разрешением сенсоров, аналогичным центральной ямке глаза. Эти выросты состоят из более мягких тканей, чем окружающая кожа, что делает их восприимчивыми к малейшим гидродинамическим колебаниям. Природа создала настоящий биологический инструмент там, где, казалось бы, достаточно обычного прикосновения.

Эксперименты с калиброванными филаментами

Чтобы проверить чувствительность, исследователи касались лап животных тонкими волокнами с известной силой. Нейроны в коже возбуждались тем легче, чем ближе к кончикам пальцев находилась точка контакта. Пороги срабатывания там оказались сопоставимы с человеческими подушечками пальцев, что для земноводного весьма неожиданно.

Электрофизиологический анализ нервов показал поразительную концентрацию. Несмотря на то что лобулы занимают лишь 8% кожи передней конечности, в них сосредоточено 60% всех чувствительных нервных окончаний этой части тела. Такая плотность объясняет феноменальную точность реакции.

1. учёные подготовили серию микроскопических замеров поверхности лобул;
2. провели стимуляцию с точно заданной силой воздействия;
3. зафиксировали пики активности в области кончиков пальцев;
4. сопоставили полученные данные с анатомическим строением амфибии.

Результаты доказали: передние лапы пипы — это не просто орган движения, а высокоспециализированный сенсорный аппарат. Он работает даже тогда, когда хищник не видит жертву, полагаясь на движение воды, словно на невидимую нить.

Видеосъёмка охоты в полной темноте

Высокоскоростная съёмка продемонстрировала поразительную сцену. В экспериментальном аквариуме кусок, похожий на затонувшее дерево, медленно двигался. Им оказалась крупная маскированная лягушка, которая поднялась со дна и за доли секунды засосала оранжевую рыбку-кормушку. Это наглядный пример того, как система функционирует в реальности, без вмешательства учёных.

Рыбы, приближавшиеся к растопыренным пальцам земноводного на расстояние около 0,5 см, были захвачены прежде, чем коснулись тела хищника. Причём это происходило даже при полном отсутствии света. Значит, ориентиром служило лишь движение воды, создаваемое пловцом.

Такая реакция занимает сотые доли секунды. Пасть раскрывается, создавая мощную втягивающую силу, и добыча исчезает в безъязыком рту целиком. Подобная тактика позволяет выживать в мутной среде, где глаза почти не помогают, а голод не прощает промедления.

Мозговая карта осязания у земноводных

У млекопитающих подобная детализация сенсорных зон формируется в коре головного мозга. Однако у пипы нет коры. Исследователи обнаружили нужную структуру в среднем мозге — так называемом оптическом тектуме, присутствующем у большинства позвоночных. Эта область отвечает за интеграцию внешних сигналов.

Участок, обрабатывающий прикосновения к лобулам, был непропорционально раздут относительно реальной площади пальцев. Если бы он соответствовал размерам тела, его доля была бы ничтожной, но эволюция выделила ему огромный ресурс, сравнимый с тем, что видят у кротов с звездообразным носом.

Тот факт, что сходная организация найдена у лягушки, линия которой разошлась с млекопитающими более 350 миллионов лет назад, говорит о древности такого решения.

Лич отмечает, что многие считали подобные черты исключительно маммальными, но теперь ясно: если присмотреться, специализированные системы чувств найдутся у птиц и прочих животных. Это открывает новый взгляд на эволюцию восприятия и заставляет пересмотреть устоявшиеся схемы.

Может ли человек когда-нибудь позаимствовать этот принцип для создания гибких тактильных датчиков подводных роботов? А пока стоит внимательнее смотреть под ноги в амазонской сельве — там, где кажется, что перед тобой коряга, может скрываться древний охотник с звёздчатыми пальцами.