Дрожь в ногах: как пауки дейнопиды слышат своими лапками
Для человека не ново наделять животных, обитающих вокруг него, человеческими качествами либо сами качества отожествлять с животным. Хитрость — лиса, верность — собака, грациозность — лебедь и т.д. Не были обделены человеческим вниманием и насекомые, особенно пауки, которым достались далеко не самые положительные черты: жадность, коварство, жестокость и т.д. В культуре встречается масса примеров, где пауки либо люди, сравниваемые с оными, являются негативными или сомнительными персонажами: Шелоб («Властелин колец», Дж. Р.Р. Толкин), Варис («Песнь Льда и Огня», Джордж Р.Р. Мартин), Арагок («Гарри Поттер», Дж. К. Роулинг). И это лишь самые «медийные» персонажи. Конечно, есть множество упоминаний пауков, как чего-то положительного, однако негатива все же больше. Тем не менее пауки, какими бы устрашающими и странными они ни казались, обладают множеством удивительных способностей, позволяющих им выживать в суровых условиях дикой природы. Ученые из Корнеллского университета (США) решили изучить одно из самых необычных семейств пауков — дейнопид, представители которого охотятся с помощью сетей, набрасываемых на добычу. Но их уникальность на этом не заканчивается, ведь эти пауки способны «слышать» добычу или хищника с помощью специальных органов на своих лапках на расстоянии почти 2 метра. Какой механизм лежит в основе паучьего чутья дейнопид, насколько точна эта система, и как она работает? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Пауки это отряд членистоногих, который насчитывает порядка 42000 видов. Отличия между разными видами, как и у многих других организмов на Земле, обусловлены ареалом обитания, климатическими особенностями, гастрономическими предпочтениями, внутривидовыми социальными аспектами и т.д.
Главным героем рассматриваемого нами сегодня исследования являются пауки из семейства Deinopidae (дейнопиды). Первые упоминания о пауках этого семейства датируются 1850 годом, когда Карл Людвиг Кох подробно описал их в своих трудах.
Карл Людвиг Кох (1778–1857)
Внешне дейнопиды напоминают пауков после длительной диеты. Их тело достаточно крупное (1.5–2.5 см в длину), однако худое и вытянутое, как и конечности. Из-за столь необычного строения тела дейнопид иногда называют пауками-палочниками. Окрас не отличается яркостью, варьируясь от коричневых к серым оттенкам, что обусловлено поведением паука.
Помимо тонюсеньких лапок в глаза наблюдателя бросается еще одна отличительная черта дейнопид — глаза. Их восемь, что не очень то и удивительно для пауков, однако два глаза, расположенные спереди, особенно большие, точнее самые большие среди пауков. Их глаза оснащены фоточувствительными мембранами с микроворсинками, содержащими родопсин. За счет этого их зрение в 2000 раз более чувствительное к свету, чем у человека.
В дневное время дейнопиды отдыхают, располагаясь на коре деревьев, с которой они отлично сливаются за счет своего окраса. Но вот ночью происходит самое интересное — охота.
Изображение №1
Перед охотой дейнопид плетет сеть из паутины, но она не стационарная, как у других пауков, а переносная. Расположившись в удобном месте, дейнопид свисает вниз головой, держа четырьмя передним лапками готовую сеть. Когда под дейнопидом пробегает крайне неудачливая (и не очень внимательная) добыча, паук набрасывает свою сеть на нее и ужин готов. Удивительно и то, что пауки дейнопиды способны ловить даже пролетающих мимо насекомых.
Стоит отметить, что нити, из которых сделаны сети дейнопид, не липкие, как у других пауков, хотя это не спасает добычу от неминуемой гибели. На плюсне одной из лапок дейнопида расположен специальный гребень (фото выше), который позволяет создавать нити необычной формы (фото ниже).
Более широкие участки нити, соприкасаясь с добычей, создают электростатический эффект, а нановолокна нитей начинают менять свою структуру, буквально врастая в поверхность. Вырваться из такой ловушки практически невозможно.
Подготовка к охоте и ее исполнение.
Однако, чтобы охота считалось успешной, добычу нужно поймать, а для этого ее нужно учуять. И тут на помощь дейнопиду приходят не только визуальные сигналы, собираемые громадными глазами, но и звуковые волны.
Ранее уже высказывались предположения о важности акустики в охоте пауков дейнопид, но фактических доказательств теории не было. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые все же смогли установить, дейнопиды способны улавливать звуковые волны от 60 дБ на расстоянии в 2 метра. Для пояснения принципа данной способности были проведены нейрофизиологические исследования как мозга паука, так и его конечностей.
Результаты исследования
В ходе опытов были использованы методики внеклеточной записи во время стимулирования подопытных пауков внешними звуковыми сигналами, передающимися по воздуху. Нейронные ответы на акустические сигналы регистрировались как в обрабатывающих информацию центрах головного мозга, так и в периферических нервах лапок паука.
Изображение №2
Чтобы исследовать частотную чувствительность акустического обнаружения D. spinosa, была проведена запись нейронной активности пауков или отделенных передних конечностей при стимуляции чистыми тонами той же интенсивности (80 дБ) в широком диапазоне частот.
Каждый звуковой сигнал в 500 мс исходил из динамика, расположенного на расстоянии 2 метра от подопытного, и повторялся 16 раз со случайной периодичностью.
Звуковые сигналы отличались размером шага тестируемого частотного интервала и частотных диапазонов (n — число опытных наблюдений):
- Головной мозг: n = 4, 100–1000 Гц с шагом 100 Гц; n = 5, 100–2 500 Гц с шагом 100 Гц; n = 3, 2000–13000 Гц с шагом 500 Гц; n = 1, 100–800 Гц с шагом 20 Гц;
- Отделенные конечности: n = 2, 100–2 500 Гц с шагом 100 Гц; n = 1; 2 000–10 000 Гц с шагом 500 Гц.
Анализ нейронных ответов в обоих случаях показал акустическую чувствительность в широком диапазоне частот (2A и 2B).
Далее ученые решили выяснить, какие частоты вызывают самые активные нейронные ответы. Для этого на базе вышеописанных методик стимуляции и нейрофизиологического анализа были созданы кривые нейронного ответа, позволяющие проанализировать нейронную активность в диапазоне определенных пар частоты и амплитуды, а также определить порог нейронного ответа. Данные кривые были созданы отдельно для записей мозга (n = 4) и записей отделенных лапок (n = 3). Порог первичной нейронной реакции варьировались от 55 до 90 дБ в обоих типах записи. Как и в предыдущем анализе, в данном случае также была выявлена чувствительность к невероятно широкому спектру тональных частот от 100 до 5000 Гц (2C–2J).
Изображение №3
Методика внеклеточного анализа показала, что слуховые датчики расположены на лапках D. spinosa. Этот вывод основан на том факте, что присутствовали нейронные ответы на акустические стимулы даже в отделенных лапках.
В ранее проведенных исследования высказывалось предположение, что важную роль в акустическом восприятии D. spinosa играют особые органы чувств, сенсиллы*, расположенные на плюсневой части лапок.
Сенсиллы* — простейшие кожные органы чувств у беспозвоночных, выполняющие функцию органов осязания, вкуса, обоняния.
Для этого была выполнена акустическая стимуляция отделенных лапок посредством генерируемых синусоидальных волн в диапазоне от 1000 до 3000 Гц. В это время параллельно проводилась регистрация нейронной активности до, во время и после демпфирующих движений вокруг сустава, что использовалось для уменьшения вибрационной чувствительности, обнаруживаемой плюсневой сенсиллой.
Изображение №4
Механические нагрузки, оказываемые на лапки и предотвращающие их движение, приводили к разным уровням акустической чувствительности. Демпфированные лапки демонстрировали снижение общего значения нейронных ответов, что выражалось в потере значимых ответов между 1000 и 1400 Гц (4E). Кроме того, порог реакции на стимул у демпфированных лапок (4E) был значительно выше, чем до (4A) и после демпфирования (4I). Анализ нейронных ответов на комбинации амплитуда+частота в случае демпфирования (4F-4H) показал снижение пиковых значений нейронных ответов по сравнению с недемпфированными лапками (4B-4D и 4J-4L).
Из этих данных следует, что снижение подвижности лапки и, следовательно, эффективности работы плюсневой сенсиллы приводит к снижению акустической чувствительности. Этот факт подтверждает теорию о том, что именно органы чувств, расположенные на плюсне, играют важную роль в сборе и обработке акустической информации.
На следующем этапе исследования было необходимо проанализировать связь между акустической чувствительностью и поведенческими изменениями. Для этого было выбрано 25 особей пауков D. spinosa, а наблюдения проводились в естественной среде обитания (Гейнсвилл, Флорида).
Каждому пауку были представлены чистые тоны длительностью 500 мс следующих частот: 150, 400, 750, 2300 и 4400 Гц, а также сигналы белого шума. Порядок стимулов был случайным, а сами сигналы исходили из Bluetooth динамиков при уровне звукового давления 70–80 дБ и на расстоянии 1 м от паука.
Из 25 протестированных пауков 13 особей ответили по крайней мере на один акустический стимул. При этом все ответы были в виде обратного выпада (1D), как если бы насекомое пролетело мимо них (3A и 3C).
Более того, пауки реагировали исключительно на более низкие частоты (150, 400 и 750 Гц), в то время как никаких обратных выпадов или какой-либо другой реакции не наблюдалось в ответ на более высокие частоты (2300 и 4400 Гц) или на белый шум. Любопытно и то, что на акустические стимулы пауки никогда не отвечали прямыми выпадами (как если бы добыча пробегала под ними).
После наблюдений в естественной среде аналогичные опыты были проведены в контролируемых условиях лаборатории. В данном опыте участвовали пауки того же вида (Deinopis spinosa, 51 особь), размещенные в индивидуальные контейнеры с циклом дня/ночи 12:12 часов. Во время ночной фазы наблюдение проводилось исключительно над пауками, которые плели сети. Для генерации акустических сигналов использовались такие же инструменты и параметры, что и в условиях естественной среды.
Из 51 паука 32 особи отреагировали как минимум на один акустический стимул (3В). Как и в случае с полевыми испытаниями, пауки совершали обратные выпады только в ответ на тоны с более низкой частотой (150, 400 и 750 Гц), в то время как тоны с более высокой частотой (2300 и 4400 Гц) или белый шум не вызывали никакой реакции. Как и в полевых испытаниях, акустические стимулы не вызвали у паков желания нанести прямой выпад.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученым удалось установить, что пауки дейнопиды во время охоты используют не только свое выдающееся зрение, но и нестандартный механизм сбора акустических сигналов. Основой данного механизма являются крайне чувствительные органы, расположенные на лапках паука. Паук буквально ощущает звук своими конечностями, за счет чего может охотиться не только на добычу, пробегающую под ним (за счет зрения), но и на пролетающих мимо него насекомых.
Зрение у дейнопид, как мы уже знаем, очень хорошее, но то же самое можно сказать и про их нестандартный слух. Анализ нейрофизиологических записей головного мозга и лапок пауков показал, что они способны воспринимать частоты в диапазоне от 100 до 10000 Гц. Тем не менее реакция обратного выпада наблюдалась исключительно при воздействии низкочастотных акустических сигналов (до 750 Гц). Вполне вероятно, что реакция нападения на низкие частоты обусловлена самим фактом охоты, ибо такие частоты присущи мелким летающим насекомым (комарам, мотылькам и т.д.), которые также являются частью диеты дейнопид.
Возникает вопрос — почему пауки способны воспринимать частоты до 10000 Гц, но реагируют только на низкочастотные сигналы? Ученые предполагают, что высокочастотная чувствительность связана не с добычей пищи, а с реакцией на хищников. Большинство естественных врагов пауков дейнопид являются дневными хищниками. Сами же пауки днем прячутся в коре деревьев, используя свой камуфляжный окрас. Вероятно, способность воспринимать высокие частоты, позволяет им засекать приближение вероятного хищника и избегать гибели. К слову, воробьиные, обитающие в том же регионе, что и дейнопиды, охотятся днем и издают звуки в кГц диапазоне. В будущем ученые намерены провести дополнительные тесты для подтверждения этих догадок.
С точки зрения эволюции, подобные умения являются вполне логичным следствием адаптации к среде обитания и возможным опасностям, которые в ней встречаются. Тем не менее сложно отрицать, что мы живем в удивительном мире, когда и без того невероятные по своим навыкам, строению или поведению создания способны удивлять нас вновь и вновь.
Среди пауков много уникальных и необычных видов. К таким относится и пауки Болас, использующие во время охоты нестандартные методы.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
