На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)

Свежие комментарии

  • Владимир
    Риск снижается, но все равно в итоге приводит к 100 % смертности.Инфаркт миокарда ...

Крохотные рыбки Danionella cerebrum издают громкие звуки благодаря «принципу щелбана»

Рис. 1. Миниатюрная рыбка Danionella cerebrum

Рыбки Danionella cerebrum из семейства карповых постепенно занимают важное место в ряду модельных объектов биологии. Взрослые особи вырастают лишь до 11–12 мм в длину, а тела их остаются прозрачными. Это делает этих рыбок чрезвычайно удобными для исследования. Кроме того, эти рыбки обладают еще одним интересным свойством: самцы данионеллы способны издавать звуки, причем уникально громкие для столь маленького существа.

Механизм вокализации данионелл оставался неизвестным до недавнего времени. Группа ученых из Университета Шарите в Берлине при помощи высокоскоростной видеосъемки смогла установить, что за звукоизвлечение отвечает специальная мышца, расположенная возле плавательного пузыря. Мышца оттягивает ребро и сидящий на нем специальный хрящ, создавая нарастающее напряжение. В какой-то момент напряжение достигает пика, хрящ соскакивает с ребра и резко ударяется о плавательный пузырь, порождая резкий и громкий щелчок. По механике всё это вместе напоминает щелбан.

Звуковая коммуникация, позволяющая быстро передавать информацию на большие расстояния, широко распространена среди животных. Описана она в том числе и у некоторых рыб. Поскольку у рыб нет легких, через которые регулярно проходят потоки воздуха, они не могут пользоваться тем же методом, что и наземные животные, такие как млекопитающие или птицы. Известно два механизма производства звуков у рыб. Первый механизм называется стридуляция или попросту скрежет, когда твердые ребристые поверхности костей трутся друг о друга. Второй механизм — вибрация плавательного пузыря, вызываемая ритмичными сокращениями специальных мышц. При использовании этих двух механизмов получаются разные звуки. Так, звуки, производимые стридуляцией, состоят из серии нерегулярных щелчков, и вы услышите скрежет, стрекотание или скрип (стрекотание кузнечика — типичный пример стридуляции). Вибрация плавательного пузыря, в свою очередь, имеет фиксированную частоту и воспринимается нами как тональный звук (вроде стона или гудения, см., например, видео со «стонами» рыбы-жабы).

Обитающие в ручьях Мьянмы крохотные прозрачные рыбки Danionella cerebrum из семейства карповых привлекают все большее внимание ученых. Эти родственники данио-рерио постепенно становятся общепризнанным модельным организмом в нейробиологии благодаря своим размерам: взрослые особи настолько маленькие — всего лишь около 11–12 мм в длину, — что их мозг можно целиком уместить под объективом микроскопа. Это, в сочетании с их прозрачностью, позволяет ученым окинуть единым взглядом активность всех ~600 тысяч нейронов в мозге взрослого позвоночного с помощью функциональной визуализации нейронной активности (см. M. Hoffmann et al., 2023. Blazed oblique plane microscopy reveals scale-invariant inference of brain-wide population activity). Известно, что самцы данионеллы издают звуки, причем очень громкие: на расстоянии 1 см от тела рыбки громкость издаваемых ей звуков достигает 140 дБ (относительно референтной точки в 1 мкПа), что уникально для столь маленького существа.

В некоторых популярных сообщениях об обсуждаемой статье возникла путаница с громкостью вокализации данионелл. С точки зрения субъективного восприятия громкости указанный уровень звукового давления (УЗД) 140 дБ не равносилен УЗД 140 дБ на воздухе. Дело в том, что УЗД определяется относительно некой общепринятой референтной точки (как десятичный логарифм отношения звукового давления к референтному давлению), которая отличается для звуков, распространяющихся в воде и по воздуху. Для воздуха эта точка принята за 20 мкПа — порог слышимости человека. Для воды за референтную точку принято значение 1 мкПа для удобства вычислений. Поэтому УЗД 140 дБ в воде воспринимается человеком тише, чем 140 дБ на воздухе, и некорректно сравнивать громкость данионеллы с выстрелом или взлетающим реактивным самолетом (как в некоторых СМИ). При этом сравнивать этих рыбок с другими водоплавающими животными вполне корректно и информативно, и тут можно смело сказать, что для своего размера данионеллы уникально громкие существа. Если вы зайдете в комнату, в которой стоит аквариум с данионеллами, то вы услышите вокализацию, по громкости примерно сопоставимую с тиканьем настенных часов. Конечно, если вы опустите голову в воду и ваше ухо окажется на расстоянии 1 см от вокализирующего самца данионеллы, то звук будет гораздо громче, но все равно не как выстрел или реактивный самолет. Как при этом рыбки не оглушают сами себя — пока остается неясно.

Если посмотреть на временную развертку вокализации самцов данионеллы (рис. 2), то окажется, что по своей структуре эта вокализация не похожа ни на «скрежет» стридуляции, ни на «стон» вибрирующего плавательного пузыря. Вокализация данионелл состоит из одинаковых щелчков длительностью 2,5 мс, которые могут издаваться отдельно, а могут собираться в короткие или длинные серии. Вроде бы очень похоже на стридуляцию. Однако ритм щелчков в сериях четко фиксирован как между отдельными вокализациями одной рыбы, так и между разными рыбами. Рыбы щелкают либо строго 60 раз в секунду, либо строго 120 раз в секунду. При стридуляции такого не бывает, а для вибрации плавательного пузыря регулярность, наоборот, типична. При этом на слух звуки данионеллы скорее напоминают стрекотание, чем стон (их можно послушать в видео S1 из обсуждаемой статьи).

Каков же тогда механизм? Для ответа на этот вопрос можно сперва обратиться к анатомии данионелл, обратив особое внимание на явные отличия между самцами и самками, так как звуки издают только самцы. У самцов есть характерное утолщение пятого ребра, проходящего вблизи плавательного пузыря. К ребру прикрепляется мощная мышца, называемая «барабанной». Между мышцей и пузырем есть характерный круглый хрящ с канавкой, в которую ложится пятое ребро. Ничего из этого у самок нет, поэтому логично предположить, что биомеханика производства звуков у данионеллы как-то связана с плавательным пузырем и с движением всей этой конструкции.

Для проверки этой гипотезы группа ученых из лаборатории Бенжамина Юдкевитца (Benjamin Judkewitz) из Центра нейробиологических исследований Университета Шарите в Берлине под руководством аспирантки Верити Кук (Verity Cook) записала щелкающих самцов данионеллы на видео со сверхвысокой частотой кадров (до 8000 кадров в секунду). Только так можно рассмотреть движения, участвующие в производстве звуков. Сделать это непросто, так как невозможно записывать такое видео долго (никакого места на диске не хватит), а данионеллы не станут издавать свои звуки целый день напролет. Нужно было поймать момент. Поэтому запись видео запускалась автоматически в тот момент, когда установленный в аквариуме гидрофон улавливал начало серии щелчков (рис. 3).

Рис. 3. Экспериментальная установка

И поймать момент удалось! На записанных видео (их можно найти среди дополнительных материалов к обсуждаемой статье: это видео S2 и S3) видно, что каждый щелчок совпадает по времени с отчетливым и быстрым движением плавательного пузыря с левой или правой стороны. Это также можно увидеть и на статичном рисунке (рис. 4).

Таким образом, оказалось, что издаваемые самцами данионеллы щелчки связаны с сокращениями плавательного пузыря, вызываемыми движениями барабанных мышц, а не со стридуляцией. При этом во время серий щелчков с частотой 120 Гц поочередно сокращаются обе стороны пузыря, а во время серий с частотой 60 Гц сокращается только одна сторона (рис. 4). Это объясняет бимодальное распределение частот щелчков в сериях (см. рис. 2).

Характерной особенностью записанных видео является сверхбыстрое сокращение плавательного пузыря в момент щелчка. На рис. 4 видно, что черные пиксели становятся белыми быстрее, чем за один кадр. С учетом того, что кадры были записаны с частотой 8000 в секунду, это очень быстро: быстрее, чем 125 мкс. Если принять, что плавательный пузырь сокращался на видео примерно на 150 мкм, можно вычислить ускорение движения пузыря в момент щелчка. Получается примерно 20 000 м/c2. Никакая мышца в мире не выдаст такого ускорения. Значит, сокращения барабанных мышц не могли напрямую вызывать сокращение плавательного пузыря.

К тому же оставалось непонятным, как вообще рыбкам удается щелкать плавательным пузырем. Как упоминалось выше, другие известные виды рыб, издающие звуки плавательным пузырем, используют вибрацию, приводящую к тональным звукам типа стона или гула, а не к щелчкам.

Чтобы понять, как оно все-таки работает, авторы записали несколько других видео под разными ракурсами и с разным освещением, на которых стало видно, что двигается не только плавательный пузырь, но и пятое ребро и круглый хрящ. Сопоставив данные, полученные на видео, с анатомией звукового органа, авторы предположили, что вокализация данионеллы производятся по принципу щелбана. Суть щелбана в том, что мы используем мышцу не непосредственно для осуществления движения пальца, а для создания возрастающего напряжения в пальце, зацепленного за другой палец. Стоит этот зацеп убрать, как палец ударит с очень высокой скоростью — а значит и довольно сильно — получится щелбан.

Авторы предположили, что похожий принцип используют самцы данионеллы. Механизм их вокализации подробно показан на рис. 5. Перед началом щелчка ничего не двигается (1). При подготовке к щелчку барабанная мышца сокращается, двигая пятое ребро вперед. Ребро ложится в канавку на хряще, оттягивая хрящ вперед и создавая нарастающее напряжение (2). В какой-то момент хрящ не может больше удерживаться на ребре, он резко выскакивает и ударяется о плавательный пузырь (3). После щелчка мышца расслабляется, позволяя ребру вернуться на место, а хрящ возвращается в исходное положение с помощью окружающей его соединительной ткани (4). Такая модель хорошо объясняет громкость издаваемых данионеллой щелчков и наблюдаемую при этом сверхвысокую скорость сокращений плавательного пузыря.

Остается открытым очень интересный вопрос: зачем данионелла издает эти звуки. Что она хочет сказать? Пока что об этом известно немного. В другой статье той же научной группы было показано, что вероятность вокализации растет с числом самцов в аквариуме быстрее, чем линейно (L. Schulze et al., 2018. Transparent Danionella translucida as a genetically tractable vertebrate brain model). То есть отдельно взятый самец издает звуки с большей вероятностью, если вокруг много сородичей (иначе вероятность росла бы линейно). Значит, в этих звуках точно есть что-то социальное, поэтому их справедливо называть именно звуковой коммуникацией, а не просто звуками. Также, по предварительным данным авторов обсуждаемой статьи, громкий голос этих маленьких рыб слышен особенно часто во время агрессивных или брачных взаимодействий. Но конкретная роль вокализации в этом поведении остается предметом для будущих исследований.

Источник: Verity A. N. O. Cook, Antonia H. Groneberg, Maximilian Hoffmann, Mykola Kadobianskyi, Johannes Veith, Lisanne Schulze, Jörg Henninger, Ralf Britz, and Benjamin Judkewitz. Ultrafast sound production mechanism in one of the smallest vertebrates // PNAS. 2024. DOI: 10.1073/pnas.2314017121.

Даниил Марков

Adblock test (Why?)

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх