Маракасы чешуйчатых интровертов: акустическая иллюзия гремучих змей
Всегда есть хищники, всегда есть добыча. Но не стоит забывать, что в пищевой цепи звеньев много, и всегда есть кто-то сильнее. Поэтому многие вида, даже будучи свирепыми охотниками, обладают рядом физиологических особенностей, главная цель которых — напугать или, если на то пошло, победить нападающего. Быть сильнее своих врагов это, конечно, здорово, но любой поединок за выживание требует затрат сил и может привести к травмам. Посему куда лучше избежать боя, предупредив нападающего, что его приближение было замечено, а потом напугать его, чтобы тот дважды подумал, стоит ли ввязываться в драку. Ярким примером такой тактики являются некоторые виды гремучих змей, получивших свое название из-за «погремушки» на кончике хвоста. Когда опасность слишком близка, змея издает гремящий звук, тем самым предупреждая о своей осведомленности и готовности защищаться. Ученые из Грацского университета имени Карла и Франца (Австрия) установили, что намеренные изменение частоты дребезжания погремушки вводит в заблуждение касательно расстояния до змеи, издающей звук. То есть слушателю кажется, что змея ближе, чем на самом деле. Как именно работает столь необычный защитный механизм, мы узнаем из доклада ученых. Поехали.
Основа исследования
Ямкоголовые (Crotalinae) это подсемейство из семейства гадюковых, насчитывающее порядка 257 видов и 95 подвидов, обитающий как в Северной Америке, так и в Евразии.
Crotalus horridus (полосатый гремучник). Красная стрелка указывает на положение терморецепторной ямки.
С точки зрения хищничества ямкоголовые отличаются невероятно чувствительным восприятием температуры за счет двух термочувствительных ямок, расположенных между глазами и ноздрями змеи. Экспериментально было показано, что ямкоголовые могут удачно атаковать добычу, температура которой лишь на 0.2 °С отличается от температуры окружающей среды.
Габариты ямкоголовых не особо впечатляют, если сравнивать их с удавами или питонами. Длина тела в зависимости от вида может варьироваться от 30 см до 3.65 м. Однако, в отличие от питонов и удавов, предпочитающих смертельные объятия, ямкоголовые используют яд.
Подсемейство ямкоголовые (Crotalinae) получили свое более популярное название «гремучие» благодаря наличию у двух североамериканских родов (Crotalus и Sistrurus) погремушки на конце хвоста. Этот орган состоит из видоизмененных чешуек, образующих подвижные сегменты. Когда змея начинает активно вилять хвостом, сегменты ударяются друг от друга, от чего и возникает своеобразный звук.
Скоростная съемка хвоста гремучей змеи.
Каждое сотрясение хвоста приводит к возникновению широкополосного звукового импульса, который сливается в непрерывный акустический сигнал с быстро повторяющимися сотрясениями хвоста. Другие животные легко распознают этот акустический сигнал, а потому стараются уйти от него подальше, дабы избежать ядовитого укуса.
Погремушка ямкоголовых была объектом исследований на протяжении многих лет. Было установлено, что гремучие змеи увеличивают частоту дребезжания (примерно до 40 Гц) с уменьшением расстояния до потенциальной угрозы. И тут начинается самое интересное — в момент, когда расстояние до угрозы становится неприемлемо малым, змеи переключаются на более высокую и менее изменяемую частоту 60–100 Гц. Из-за этого резкого переключения кажется, что змея находится гораздо ближе, чем на самом деле. Столь удивительный механизм защиты нельзя было оставлять без внимания, потому ученые и решили рассмотреть его детальнее.
Результаты исследования
Crotalus atrox
В ходе исследования было проведено несколько практических испытаний с участием Crotalus atrox (техасский гремучник). В первом эксперименте в террариум к неподвижной змее поместили манекен (торс). Змея тут же начала издавать звук, медленно дребезжа хвостом. При уменьшении расстояния между манекеном и змеей частота отдельных звуковых импульсов увеличивалась до 40 Гц, затем следовало резкое увеличение до более высокого частотного диапазона в 60–100 Гц.
Чтобы избежать акустического шума, генерируемого движением манекена, был разработан второй эксперимент. На экране с белым фоном появлялся черный диск, диаметр которого постоянно увенчивался, тем самым создавая для змеи иллюзию приближающегося объекта (1A).
Изображение №1
В результате змеи реагировали на визуальный стимул так же, как и в опыте с манекеном. В ходе испытаний (197 заходов и 25 змей) частота дребезжания характеризовалась бимодальным распределением (вставка на 1B), состоящим из низкочастотного (LF от low-frequency) < 40 Гц) и высокочастотного (HF от high-frequency) (60–100 Гц) диапазона.
Частота дребезжания в режиме LF линейно увеличивалась с увеличением визуального стимула, таким образом неся информацию об относительном изменении расстояния между приближающимся объектом и змеей. При этом наклон (угловой коэффициент) этого изменения режима LF зависел от скорости стимула, причем более медленные стимулы приводили к более медленному увеличению скорости (2A).
Изображение №2
Все змеи, участвовавшие в опытах, показали схожее поведение в целом. Однако были разительные отличия в продолжительности и времени начала дребезжания (изображение №3). Продолжительность дребезжания в режиме LF также зависела от скорости стимула, причем более быстрые стимулы приводили к более коротким дребезжаниям в режиме LF перед переключением на HF режим (2B).
А вот HF-компонент дребезжания не зависел от скорости стимула и с точки зрения изменений скорости дребезжания (2C), и с точки зрения продолжительности (2D).
Отличия между LF и HF режимами хоть и незначительны, но все же очевидны. HF режим обычно проходил со стабильной скоростью дребезжания или медленным ее уменьшением с течением времени, даже когда размер стимула был постоянным: средняя частота 1.95 Гц/с при средней скорости стимула 1.1 м/с. Время ответной реакции (начало дребезжания) также уменьшалось с увеличением скорости приближения объекта (2E).
Визуальный стимул (черный диск) в ходе опытов постепенно увеличивался, потом на некоторое время замирал, а затем начинал уменьшаться, имитируя отдаление объекта от змеи. В ответ на это змеи обычно переходили из режима HF обратно в режим LF вплоть до полной остановки дребезжания (видео ниже).
В момент отдаления объекта реакция разных подопытных змей отличалась намного больше, чем во время его приближения. Некоторые особи не прекращали HF дребезжание до тех пор, пока объект полностью не исчезнет из виду.
Также было установлено, что дребезжание было инициировано независимо от размера стимула (2F), т.е. змеи могли успешно интерпретировать различные скорости приближения.
Далее ученые решили проверить, зависит ли частота дребезжания не только от скорости приближающегося стимула, но и от его профиля. Для этого приближающийся стимул с постоянной скоростью был заменен на стимул с уменьшающейся скоростью.
Изображение №3
Ответная реакция змей на такой объект по большей степени заключалась в меньших наклонах LF, которые по сравнению с постоянной скоростью приближения не зависели от продолжительности приближения. Режим HF ни по наклону, ни по продолжительности не коррелировал со скоростью стимула. Поскольку конечный размер приближающегося объекта (черный диск на фазе остановки перед последующим отдалением) был одинаков в обоих опытах, ученые сделали вывод, что змеи адаптируют свою частоту дребезжания в ответ на скорость приближения объекта, а не на его размер.
Изображение №4
На следующем этапе исследования ученые хотели на практике подтвердить, что внезапное переключение в режим HF служит для создания у приближающегося к змее животного ощущения, что контакт со змеей неизбежен (4A и 4B). Для этого были проведены опыты с участием людей для оценки восприятия акустических сигналов змей в LF и HF режимах. Однако, чтобы не подвергать никого из участников опасности, была разработана специальная аудиовизуальная виртуальная среда. Испытуемые (3 женщины и 8 мужчин возрастом от 20 до 36 лет) садились на стул, одевали VR-очки и должны были приближаться к невидимому источнику звука («виртуальная змея»).
Ниже представлены видео виртуальной среды, где проводился эксперимент:
Источник звука генерировал широкополосные звуковые импульсы либо с постоянной (12 Гц), либо с дребезжащей частотой, которая зависела от расстояния до слушателя. Каждое испытание случайным образом начиналось на одном из шести расстояний (4C). В ходе испытания участник должен был остановить приближение к источнику звука, когда расстояние по его ощущениям было 1 метр.
В условиях дребезжания, зависящего от расстояния, виртуальная змея была запрограммирована на увеличение частоты дребезжания с 5 до 20 Гц при уменьшении расстояния с 8 м до 4 м. После того, как расстояние становилось менее 4 метров, виртуальная змея переходила в независимый от расстояния HF режим с частотой 70 Гц (4C).
Таким образом, в испытаниях, где стартовое расстояние было меньше или равно 4 м («короткие испытания»), сравнивались точки остановки приближения для неизменной во времени низкой частоты дребезжания (12 Гц) и столь же неизменной во времени высокой частоты (70 Гц).
Между этими двумя режимами была обнаружена весьма ощутимая разница в точках остановки приближения. При низкочастотном режиме расстояние, на котором участник опыта останавливался до источника звука, было короче, чем при высокочастотном режиме (4D). Это говорит, что разницы в частоте (12 против 70 Гц) уже достаточно, чтобы человек значительно недооценивал расстояние до источника звука при более высоких частотах дребезжания, предположительно из-за увеличения воспринимаемой громкости.
Если же начальное расстояние было больше 4 метров, а дребезжание зависело от расстояния, то дистанция, на которой человек останавливался, демонстрировала четкое бимодальное распределение (4E). Другими словами, когда происходил резкий переход от HF к LF (на расстоянии 4 м), человеку было гораздо сложнее оценить реальное расстояние до источника звука, а потому он останавливался намного раньше, чем в опытах, когда резкого переключения режимов не было.
Ранее считалось, что звуки, издаваемые гремучими змеями, являются простым акустическим предупреждающим сигналом. Но результаты опытов показывают, что это гораздо более сложный инструмент межвидовой коммуникации.
Следовательно, когда нежелательный гость приближается к змее, она первым делом предупреждает его о своем присутствии на его пути. А внезапный переход с низкочастотного на высокочастотный режим создает иллюзию того, что змея ближе. В результате у животного есть больше времени, чтобы изменить маршрут, а у змеи больше времени, чтобы избежать нападения или приготовится к защите.
Ученые отмечают, что гремучие змеи населяют Северную Америку порядка 6–9 миллионов лет. Следовательно, развитие у них подобной защитной тактики никоим образом не связано с человеком. Тем не менее развитие такой методики повлияло на развитие окружающих животных в аспекте их акустического восприятия.
Альтернативное объяснение использования змеями резкого перехода между частотными режимами дребезжания связано с привлечением большего внимания за счет увеличения громкости звучания. Однако эта теория не очень правдоподобна, поскольку она не отвечает на важный вопрос — почему тогда переключение режимов происходит с четкой корреляцией от расстояния к приближающемуся животному.
Объяснить, что именно влияет на переключение режимов, скорость объекта или визуальный стимул (его увеличение при уменьшении расстояния), пока не удалось, так как эти два фактора зависят друг от друга, т.е. разделить их вклад на ответную реакцию не удалось.
Еще одно любопытное умозаключение связано со слуховой системой человека, предпочтительнее воспринимает звуки, громкость которых увеличивается по мере увеличения скорости приближения к источнику и уменьшения расстояния до источника. Следовательно, поведение гремучих змей можно интерпретировать как использование этой схемы восприятия для усиления звука без фактического приближения.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде описывается удивительная защитная тактика, используемая гремучими змеями. Они используют свою погремушку на конце хвоста не только для предупреждения, как считалось ранее, но и для создания акустической иллюзии. В результате приближающееся животное неверно оценивает расстояние до змеи, предполагая, что она ближе.
Эта особенность гремучих змей выглядит еще более удивительной, если учесть, что появилась она не за одну ночь, а стала результатом эволюции, затянувшейся на тысячи лет. В ходе своего видового становления гремучие змеи вооружились погремушкой для отпугивания вероятных хищников, но этого, видимо, оказалось мало. Посему была создана новая тактика, использующая уже имеющиеся инструменты. И это яркий пример адаптации.
Поражает и то, что гремучие змеи были на Земле задолго до человека, а значит мы, как вид, соседствовали с ними всю свою историю. И лишь сейчас смогли разгадать эту маленькую, но вместе с тем удивительную тайну.
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 Maincubes 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?
