В исследовании, опубликованном в Proceedings of the Royal Society B в феврале. 10 октября 2016 г. Ученые Чикагского университета впервые показали, что грудные плавники по крайней мере у одного вида рыб обладают нейронами и клетками, чрезвычайно чувствительными к прикосновению. Это открытие не только проливает свет на эволюционную биологию прикосновения, но и может когда-нибудь вдохновить на новые достижения в разработке подводной робототехники.
«Для нас было сюрпризом, что плавники рыб, подобно коже млекопитающих, способны ощущать легкое давление и легкие движения», – сказал автор исследования Адам Харди, аспирант кафедры биологии и анатомии организмов. "Эта информация, по-видимому, передается типом клетки, важной для осязания у млекопитающих, что предполагает, что лежащая в основе сенсорная морфология может быть эволюционно сохранена."
Грудные плавники, расположенные сразу за жабрами, представляют собой пару отличительных придатков, которые соответствуют передним конечностям у четвероногих животных. Грудные плавники, обычно участвующие в движении или балансе во время плавания, у некоторых видов приобрели огромные функции. Они, как известно, позволяют летать рыбам и прыгунам, например, ползать. Многочисленные исследования изучали биомеханику, эволюцию и развитие этих плавников, но мало что известно о том, какую роль они играют в качестве сенсорного механизма.
Итак, Харди вместе с наставником Мелиной Хейл, доктором философии, профессором биологии и анатомии организмов Уильяма Рейни Харпера задали простой вопрос: могут ли рыбы чувствовать плавниками?
Есть свидетельства того, что рыбы обладают чувством проприоцепции, или пониманием того, где их плавники относительно их тела (во многом как то, как мы можем определить, где находятся наши руки, даже с закрытыми глазами). Предыдущие исследования выявили нейроны плавников, которые отправляют сигналы, содержащие информацию об изгибе, движении и положении, обратно в мозг. Но осязание отличается от проприоцепции, и, поскольку плавники почти всегда находятся в движении, разделить эти два чувства в экспериментальной обстановке сложно.
Харди и Хейл подошли к этой задаче, сосредоточив внимание на соме pictus, небольшом обитающем на дне виде, обитающем в мутных водах реки Амазонки. Помимо твердого зазубренного позвоночника, используемого для защиты, грудные плавники этих рыб довольно типичны – несколько костных лучей, соединенных мягкой мембраной.
Тем не менее, сомы pictus, похоже, не используют свои грудные плавники для передвижения, что команда подтвердила с помощью анализа высокоскоростной камеры.
Без противоречивых сигналов от движения и позиционирования плавников исследователи смогли выделить и изучить нейронную активность в ответ на прикосновение. Они прикладывали множество различных стимулов плоским концом булавки и щеткой к грудному плавнику и измеряли активность нейронов, которые отвечают за отправку информации обратно в мозг.
Команда обнаружила, что нейроны не только реагируют на контакт, но и несут информацию о степени давления и движении кисти.
Анализ клеточных структур плавника показал наличие клеток, очень похожих на клетки Меркеля, которые связаны с нервными окончаниями в коже млекопитающих и необходимы для прикосновения.
"Как и мы, рыбы могут чувствовать окружающую среду своими плавниками.
Ощущение прикосновения может позволить рыбе жить в темноте, используя прикосновение для навигации, когда зрение ограничено », – сказал Хейл. "Это поднимает множество интересных вопросов о том, как сенсорные клетки формируют восприятие мозгом особенностей окружающей среды, и может дать представление об эволюции ощущений у позвоночных."
Интересно, что это открытие также может найти применение в разработке подводных роботов, особенно в условиях низкой освещенности.
«Понимание того, как перепончатые плавники у рыб используются для восприятия прикосновения, помогает нам определить, какие функции важны для конструкции подводных сенсорных мембран», – сказал Хейл. "Например, вы можете представить себе сенсорные мембраны, вдохновленные рыбами, которые можно использовать для сканирования поверхностей в подводной среде, где свет может быть не виден."
«Кроме того, животные используют механическую обратную связь, чтобы контролировать движения конечностей», – добавляет она. "Оснащение подводных роботов сенсорными датчиками может помочь улучшить их работу, особенно при навигации в сложных условиях."
В настоящее время команда изучает сенсорную чувствительность плавников других видов рыб, таких как камбала, а также исследует точные механизмы того, как нейроны плавников кодируют информацию о прикосновении.
«Один из важных вопросов, на который мы пытались ответить, – применимо ли это ко всей рыбе», – сказал Харди. «Мы предсказали, что чувствительные к прикосновению плавники будут очень полезны для донных рыб, но вы можете себе представить их полезность также в ночной или глубоководной среде."
Исследование «Ощущение прикосновения грудными плавниками сома Pimelodus pictus» было поддержано Управлением военно-морских исследований и Национальным научным фондом.
Среди других авторов – Бейли Стейнворт.