Сенсорные системы отличаются гигантским разнообразием, гораздо большим, чем центры памяти или центры потребностей, которые занимаются очень обобщенными, стандартными задачами, обращенными внутрь организма, к работе с информацией. Сенсорная же система обращена во внешний мир. В зависимости от условий жизни, пищи и размеров животного параметры работы сенсорных систем будут разными. Дрозофила и слон обучаются примерно одинаково, но их сенсорные системы абсолютно различаются. По своей биологии, экологии, эволюции это разные организмы. Мы получаем огромный спектр анализаторов — зрительных, слуховых, вкусовых, обонятельных.
У позвоночных и беспозвоночных абсолютно разные анализаторы. В нашей линии эволюции позвоночных все относительно просто, единообразно. Мы находимся внутри одного типа — хордовые. Два глаза, два уха — все весьма банально.
Также есть организмы наземные и водные. В зависимости от среды обитания сенсорные системы опять же функционируют нестандартно. Для водной среды характерны одни задачи, для сухопутной — другие. А для того, кто живет под землей, в норах, характерна другая сенсорная система. Зрение уже необязательно, а осязание и обоняние становятся главными.
Эволюционное сравнительное изучение специфики сенсорных систем очень увлекательное дело. Энтомологи, зоологи позвоночных или ихтиологи могут рассказать тысячи историй, касающихся адаптации конкретных сенсорных систем биологических видов для решения тех или иных задач.
Например, глаз позвоночных — это камерный глаз — хрусталик, сетчатка. У членистоногих другой принцип организации — фасеточный глаз, который состоит из большого количества однократных крошечных глазков, и в каждом что-то вроде хрусталика, несколько фоторецепторов, аналогичных колбочкам. Вместо цельной картинки получается мозаика. И когда вы смотрите на глаза стрекозы или бабочки, вы видите именно эту картину. Как воспринимает мир та же самая стрекоза? Мы видим относительно целостную картинку, а зрение членистоногих мозаичное, составленное из кусочков разного размера. Это зависит от того, сколько простых глазков входит в состав «большого глаза». Однако целостность изображения при этом страдает.
Но у фасеточного глаза есть серьезные преимущества: он гораздо четче и лучше реагирует на любые движения изображения. В этом случае сигнал переходит с одного глазка на другой, и нервная система детектирует это гораздо более чутко, чем сигнал с целостной сетчатки. Такой глаз гораздо устойчивее к повреждениям. У человека повреждение глаза ведет к его выходу из строя, а стрекозе можно снести глаза, но она будет продолжать нормально функционировать.
Быстрота зрения членистоногих особенно важна для насекомых, так как они летают. И когда муха или бабочка летит над лугом, она ухитряется анализировать изображение по ходу этого полета, несмотря на большую скорость. Слияние картинок у насекомых происходит только при частоте 30 кадров в секунду. У человека сливаются 20 кадров, а у насекомых более быстрая зрительная система, позволяющая получать четкие картинки и детектировать цветы, которые нужно опылять, или других насекомых, хищников, потенциальных половых партнеров. И работа сенсорной системы каждого конкретного животного ориентирована на решение конкретных биологических задач: питание, самосохранение, размножение.
Зрение должно выделять какие-то цветовые пятна — видоспецифичную или предупреждающую окраску. И наличие чего-то аналогичного нашим колбочкам у беспозвоночных связано с внутривидовой сигнализацией. Вы можете совершенно четко сказать, что это насекомое или моллюск видят цвет, если это насекомое или моллюск ярко окрашены. Это специфический сигнал, посылаемый особям своего вида. Бабочка пестрая, для того чтобы другая бабочка ее видела.
У насекомых зрительная система решает задачу опознавания цветов. Насекомые — это опылители, а нектар — важнейший источник питания. И симбиоз насекомоопыляемых растений и насекомых во многом завязан на параметры зрительной системы. У пчелы или шмеля внутри глаза три типа колбочек, рецепторов, реагирующих на цвет.
Но, в отличие от нас, у пчелы идет реакция на совершенно другие диапазоны, и первый из вариантов реакций на цвет находится где-то между нашими красными и зелеными колбочками. Второй вариант совпадает с нашими синечувствительными колбочками. А третий вариант находится вообще в ультрафиолетовой зоне. Пчела не очень различает красный цвет, но зато прекрасно видит все в ультрафиолете. И если посмотреть в ультрафиолете на цветы, то они будут окрашены совсем не так, как нам кажется. И какой-нибудь лютик вместо желтого будет пестрым с четко обозначенной посадочной зоной — нектаром.
«Позвоночный» вариант трихроматного зрения с тремя типами колбочек довольно редуцированный. У рыб, амфибий, рептилий, птиц большее количество колбочек. Птицы — тетрахроматы, у них четыре варианта колбочек. Помимо красно-, сине-, зеленочувствительного, есть специальный вариант, который уходит в ультрафиолетовую область. Скворец в ультрафиолете выглядит гораздо интереснее, чем без восприятия высокочастотных волн. Многие птицы очень ярко окрашены, и это намекает на то, что у них хорошо развито цветовое зрение.
Как зрительная система часто связана с задачами коммуникации, так же и слуховая система адаптирована под то, чтобы слышать звуки, издаваемые другими особями вашего вида. И когда один кузнечик сверчит, то другой кузнечик должен слышать именно этот звук, потому что это, как правило, не просто так звук. Например, это самка, готовая к оплодотворению, или, наоборот, есть самец, который выбрал подходящую территорию и посылает сигнал для прихода самки.
Когда мы смотрим на слуховую систему тех же самых насекомых, мы ее обнаруживаем в самых разных частях тела. В отличие от позвоночных, беспозвоночные могут организовывать свои органы чувств в тех местах тела, где это удобно. Связано это с быстрой эволюцией беспозвоночных, которая определяется скоростью смены поколений и их адаптацией.
У кузнечика «уши» находятся на задних лапках. Существует так называемый подколенный орган, внутри которого мы обнаруживаем систему, похожую на нашу собственную ушную улитку. И вместо 30 тысяч рецепторов там их несколько десятков, с которыми связаны тонкие хитиновые нити, резонирующие на звуке определенной частоты.
У таких простых существ все настроено на видоспецифические сигналы. Нет необходимости слышать все — нужен только тот звук, который, например, издает свой самец или своя самка. Так принято у кузнечиков. Самец издает длинную трель, а самка в ответ — короткий звук. И дальше слуховая система это ловит, а нейросети настроены врожденно на различение именно этого звука. В отличие от нашей слуховой системы, которая учится что-то различать, у кузнечиков существуют нейронные контуры, которые реагируют на сигнал 1200 герц определенной длительности.
Но не всегда улавливаются только видоспецифичные звуки. Существуют паразитические мухи, которые откладывают яйца в кузнечиков или сверчков. И нервная система этой мухи настроена на улавливание звука кузнечика, чтобы дальше идти к цели уже как к такому пищевому объекту.
Слуховая система позвоночных похожа на человеческую. У рыб есть только внутреннее ухо. Они довольно активно коммуницируют, и где-то 20–30% рыб издают видоспецифичные звуки и реагируют на них. Например, плавательный пузырь используется как своеобразный резонатор, который улавливает колебания окружающей среды и дальше передает это в усиленном виде на внутреннее ухо, что помогает рыбам общаться.
На основе слуховой системы возникает эхолокация, свойственная дельфинам или летучим мышам. Звук не просто пассивно воспринимается, а издается звуковой щелчок, идет реакция на этот звук. Своеобразный аналог осязания, с помощью которого можно ощупывать окружающий мир.
Насекомые не остаются пассивной жертвой эхолокации. У целого ряда бабочек возникают адаптации, для того чтобы слышать ультразвук, который издает летучая мышь, и в случае опасности складывать крылышки и сразу падать в траву. А есть такие виды бабочек, которые в ответ на мышиный ультразвук издают собственный, сбивающий эхолокацию летучей мыши, которая тут же перестает ориентироваться в окружающем пространстве. На всякое оружие эволюция вырабатывает антиоружие.
В случае тактильной чувствительности на уровне членистоногих мы обнаруживаем потрясающие адаптации, связанные с миниатюрностью таких органов. Тактильные рецепторы у таракана или комара сделаны на основе единичных нейронов, но работают они очень эффективно.
У позвоночных, млекопитающих и птиц тактильная чувствительность крайне важна для выполнения специфических видов деятельности. Физиологи отдельно изучают лапу совы как особый тактильный орган, который должен эффективно захватывать добычу. Или потрясающая тактильная чувствительность кончика клюва птички киви или вибриссов (не хуже, чем у кошки), с помощью которых эта ночная птица ориентируется в окружающем мире.
Изучая обонятельную систему, физиологи ориентируются на феромоны, на видоспецифические коммуникативные сигналы, которые сообщают об опасности или готовности к размножению. Феромональные системы характеризуются потрясающей чувствительностью. У насекомых идет реакция чуть ли не на одну молекулу в кубическом метре воздуха.
Особое внимание привлекают те сенсорные системы, которых у нас вообще нет (например, система магнитной чувствительности или система электрорецепции).
Магнитная чувствительность зачастую связана с тем, что внутри волосковых клеток где-то во внутреннем ухе появляются кристаллы магнетита, то есть оксида железа. И с помощью этих кристаллов можно ориентироваться в магнитном поле Земли, знать, где север и юг. Это важно для мигрирующих птиц или морских черепах. Магниточувствительность встроена еще и внутрь фоторецепторов, и один из синих пигментов, который был назван криптохромом, способен реагировать на магнитное поле. У птиц на их обычную картинку, которую они видят, еще накладывается светлая дуга, вершина которой приходится на Северный полюс Земли.
Электрочувствительность очень важна для многих водных животных: с ее помощью можно отыскивать еду ночью или в мутной воде, ведь живые организмы излучают электрические волны, электрические колебания. Наиболее хорошо исследованы ампулы Лоренцини, характерные для акул. Акула плывет над дном и чувствует зарывшуюся в песок камбалу, потому что у камбалы бьется сердце. Электрорецепторы также найдены у дельфинов, утконосов, то есть опять же живущих в воде существ, которые способны с помощью этой системы находить себе еду.
Человек не может непосредственно чувствовать магнитное или электрическое поле. И чтобы собирать эту информацию, мы создаем приборы — расширяем те возможности, которыми наделила нас эволюция.
