Откуда нос вашей собаки знает так много?

В солнечный день возле Мартинеса, штат Калифорния, дружелюбная немецкая овчарка по имени Зинка мчится по тропинкам Регионального парка Брионес в шлейке с датчиками, батареями и проводами. За ней следует ее тренер Шей Кук с длинным поводком в руках.

Команда тренируется, чтобы выслеживать людей, которые прошли по пересеченной местности часы или даже дни ранее. Их поисково-спасательная подготовка позволяет им найти единственного человека в лесу, сельской местности или даже в шумном университетском городке, заполненном студентами. Они также ищут пропавших людей, погибших в результате стихийных бедствий, таких как пожары и землетрясения.

Но сегодня их задача состоит в другом: помочь ученым в научном эксперименте, чтобы выяснить, как запахи рассеиваются со временем, и как мозг расшифровывает информацию о невидимом мире запахов, который нас окружают.

Каждый владелец собаки знает, что они способны улавливать запахи, которые недоступны людям. Одно исследование показало, что собаки могут улавливать запахи в 100 000 раз лучше, чем люди.

«Удовольствие — выходить на улицу и наблюдать, как поисково-спасательная собака прорабатывает след и в конце концов находит человека», — сказала Джуди Джинн, аспирантка в лаборатории доктора Люсии Джейкобс в Калифорнийском университете в Беркли. «Если вы никогда не видели это раньше, это довольно удивительное зрелище».

Джинн завершает исследование, целью которого является пролить свет на удивительно сложный вопрос о том, как собаки могут выслеживать цель, используя крошечное количество запаха, которое люди даже не замечают.

«На самом деле, в прошлом эта область не очень хорошо изучалась», — сказала она. «Но сейчас она набирает обороты».

Эксперимент является частью сотрудничества между шестью университетами страны, финансируемого фондом National Science Foundation’s Brain Initiative. Он называется «Odor Navigation Project». Участники из разных областей исследования, включая поведение животных, генетику, физиологию и механику жидкости объединились, чтобы изучить, как животные используют запах, чтобы понять окружающую среду.

Национальный проект имеет далеко идущую цель: помочь разработать более эффективные устройства — возможно, даже новое поколение роботов, которые смогут искать специфические запахи: взрывчатых веществ, наркотиков и других опасных химических веществ в аэропортах, метро, на заводах и в других местах.

Джинн организовала эксперимент, в котором «прокладчик следа» шел по заранее заданному маршруту по пересеченной местности в парке. Затем она использовала GPS и другие датчики, прикрепленные к шлейке поисковой собаки, чтобы зафиксировать, насколько точно Зинка следовала по пути статиста.

В эксперименте прокладчик следа получил преимущество в один час — хотя Зинка может выслеживать людей даже по прошествии нескольких дней. Даже дождь не останавливает ее.

Следуя за поисковой группой с переносной метеостанцией, Джинн обнаружила, что собака более точно шла по следу статиста в условиях повышенной влажности. Она сказала, что, по ее мнению, влажность может помочь улавливать ароматические частицы на земле и на растительности, и не позволяет уносить их ветру. Джинн надеется, что ее результаты будут опубликованы в этом году.

Исследователи до сих пор не пришли к соглашению о том, что именно чуют собаки. Джинн считает, что собаки обнаруживают следы паров, выделяющихся из крошечных клеток мертвой кожи, волос и пота, которые люди теряют во время ходьбы.

Джон Кримальди, который изучает механику жидкости в университете Колорадо в Боулдере, изучает структуру самих запахов. Он является ведущим исследователем проекта. Кримальди и его лаборатория используют специальные методы для изучения физики того, как запахи распространяются в воздухе и воде.

Оказывается, есть повседневные примеры того, как невидимые запахи распространяются вокруг нас.

«Когда вы видите дым, выходящий из трубы, или то, как расплывается молоко, когда вы наливаете его в свой кофе, они имеют очень сложную структуру», — сказал Кримальди. «На самом деле они все используют одну и ту же физику».

Одно из исследований Кримальди включает использование лазеров для измерения того, как флуоресцентный краситель распространяется в большом резервуаре с водой. Исследователи используют данные о том, как краситель неравномерно
рассеивается со временем, для создания компьютерных моделей, которые воспроизводят движение химических веществ.

Затем исследователи запускают различные компьютерные программы, которые проверяют на способность вычислить источник. Кримальди хочет выяснить, какие алгоритмы лучше определяют источник запаха в модели.

«В конечном счете, мы хотим построить механистическую модель, чтобы мы могли реально понять, как работает мозг при поиске источника запаха», — сказал он. «Мы хотим найти оптимальные стратегии, которые бы можно было использовать для программирования робота для выполнения подобных задач, таких как поиск и спасение».

В то время, как Кримальди изучает структуру запахов, другие лаборатории, участвующие в проекте «Odor Navigation Project», сосредоточены на инструментах, которые животные используют для обнаружения запахов путем «реверсивной инженерии носа собаки».

Работая в Университете штата Пенсильвания, Брент Крэйвен и его коллеги изучали анатомию собачьего носа и то, как воздух проходит через него.

Крейвен и его коллеги используют технологии сканирования, такие как МРТ, чтобы заглянуть в черепа разных млекопитающих. Они обнаружили, что многие из животных, которые, как считается, имеют сильное обоняние, как и собаки, как правило, имеют сходную структуру в задней части носа.

«Это называется обонятельная область», сказал Крейвен. «Это тупиковая область в задней части носа. Вот где расположены сенсорные клетки».

Она полна тонких костей, известных как раковины, которые покрыты слизистой оболочкой. Кости скручены как лабиринт внутри черепа собаки. Раковины покрыты сенсорными клетками, называемыми обонятельными нейронами, которые передают информацию в мозг.

У собак около 60000 обонятельных нейронов. Это в 15 раз больше, чем у людей.

У людей есть обонятельные нейроны в маленькой области наверху внутренней части их носов. Поскольку нет особой конструкции для их расположения, воздух, который нюхают люди, смешивается с остальным воздухом, которым мы дышим. Поскольку все наши сенсорные клетки находятся в одной области, они могут быть бомбардированы запахами, что затрудняет распознавание отдельных запахов.

Но, по словам Крейвена, собаки не уникальны, когда дело касается остроты обоняния.

Основываясь на структурах, найденных учеными в МРТ, многие животные имеют обоняние, сравнимое с собачьим.

«У них всех есть такая же обонятельная область», — сказал Крейвен. «Но люди и некоторые другие приматы не так хороши».

Исследователи из Университета штата Пенсильвания использовали данные сканирования, чтобы создать компьютерную модель, которая имитирует анатомию носа собаки, внутри и снаружи.

Они провели испытания в компьютерной модели, чтобы увидеть, как воздух проходит через тонкие структуры, чтобы найти подсказки, которые могут привести к новым разработкам для детекторов запахов.

Одно преимущество, которое собаки имеют перед людьми, это форма их ноздрей. Точнее прорези, находящиеся по бокам их ноздрей.

Мэтью Стейматес — инженер-механик в Национальном институте стандартов и технологий, лаборатории федерального правительства в Гейтерсберге, штат Мэриленд. Он изучает способы улучшения детекторов взрывчатых веществ, наркотиков и токсичных промышленных химикатов. И для этого Стейматес интересуется, как форма ноздрей собаки помогает им так точно определять запахи.

Стейматес, чьи работы финансируются отдельно от проекта «Odor Navigation Project», взяли компьютерную модель носа собаки, разработанную в штате Пенсильвания, и распечатали ее на 3D-принтере для создания анатомически правильного искусственного носа собаки, с раковинами и обонятельной областью.

Он добавил к модели носа собаки воздушный шланг, чтобы имитировать естественную скорость нюхания собаки. Собаки нюхают около пяти раз в секунду.

«Он нюхает, как настоящая собака», — сказал Стейматес.

Посмотрев на нос, используя специальную технику видеосъемки, называемую методом Шлирена, Стейматес смог увидеть, как форма ноздрей собаки позволяет им вдыхать спереди, а затем отводить выдыхаемый воздух назад и вбок. Это создает мгновенную область низкого давления в передней части носа собаки.

Даже при том, что искусственный нос вдыхает и выдыхает тот же объем, воздух устремляется вперед, чтобы заполнить эту область низкого давления. Это позволяет собакам получать свежий образец из области перед ними с каждым вдохом.

Подражая форме ноздрей, Стейматес предлагает, чтобы новые детекторы могли не только брать пробы из области, непосредственно примыкающей к устройствам, но также могли бы втягивать воздух с более отдаленного расстояния, позволяя расширить зону действия.

«Большинство современных детекторов наркотиков, а также химической и биологической угрозы, в основном, просто всасывают воздух через отверстие и анализируют его», — сказал Стейматес. «Но у собак есть активная система отбора проб, которая действительно уникальным образом взаимодействует с окружающей средой».

Джош Кессиди, KQED.

  •  
    171
    Поделились
  • 168
  • 2
  •  
  • 1
  •  
  •  
  •