Фізики з Єльського університету за допомогою математичної моделі пояснили, як гадюки використовують інфрачервоні датчики біля ніздрів, щоб полювати за здобиччю у непроглядній темряві. Виявилося, що вони задіяють своєрідний «підсилювач сигналу», що розширює межі можливостей їхнього тепловізійного органу.
Тваринний світ сповнений цікавих еволюційних рішень у сфері сенсорного сприйняття. Орел, що ширяє в небі, помічає мишку-полівку, що біжить у траві. Зголоднілий ведмідь чує їстівне за кілька кілометрів у густих чагарниках. Качконіс, плаваючи в прісноводному струмку, вловлює електричні імпульси пуголовка поблизу. Звичайні люди в деяких експериментах помічали одиночний фотон, що еквівалентно можливості розглянути свічку вночі з десяти кілометрів. Гадюки вловлюють мізерні коливання температури вдалині, розпізнаючи жертву. Останнє викликає найбільше запитань: як?
Щоб визначити місцезнаходження свого видобутку, гадюкам необхідно фіксувати зміни температури в мілікельвінах, при цьому орган повинен бути в тисячу разів більш чутливим, ніж молекулярні сенсори, що лежать в його основі. Тим більше якщо йдеться про пустелю (улюблене місце проживання змій), де температура різко скаче вдень і вночі. Вчені з Єльського університету (США) знайшли відповідь у новій математичній моделі, опублікованій у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Дослідники вважали, що за надчутливістю може стояти біологічний механізм, що дозволяє гадюкам посилювати спочатку нікчемні сигнали, уловлені рецепторами, і передавати їх у мозок у «високій роздільній здатності». Для розрахунку цього механізму вчені використовували концепцію статистичної фізики та теорію інформації, щоб зрозуміти, як температурний сигнал, що входить від окремих іонних каналів змії, колективно впливає на реакцію нейронів. У математичній моделі існує “біфуркація” – точка, в якій реакція нейронів якісно змінюється, і окремі, менш чутливі термодатчики демонструють високий рівень взаємодії.
“Поблизу цієї точки біфуркації ми показуємо, що мозок змії може отримати майже стільки ж інформації про температуру, якби він міг зчитувати вимірювання з кожного окремого датчика, а потім ідеально усереднювати їх разом, щоб отримати один оптимально точний вимір”, – сказав Бенджамін. Махта, доцент кафедри фізики.
Виходить, посилення виникає через близькість до динамічної біфуркації, що відокремлює режим з частими та регулярними потенціалами дії від режиму, де вони нерегулярні та нечасті. Поблизу переходу частота потенціалів дії може мати надзвичайно різку залежність від температури, що і призводить до тисячократного посилення.
До того ж ця математична модель включає функцію «зворотного зв’язку», яка автоматично захищає загальну чутливість системи при коливаннях температури. Аналогічні механізми зворотного зв’язку можна знайти в інших сенсорних системах, націлених на виявлення крихітних сигналів у середовищі, що змінюється. Таким чином, нова модель може знайти застосування не тільки в нічних мандрівках гадюки.