27.06.2011

Раскрыта тайна поющей рыбы

Недавно американские ученые раскрыли некоторые секреты забавной рыбы-мичмана, про которую известно, что она может громко жужжать. Исследователи выяснили механизм управления мышцами, которые обеспечивают подобное "пение". Руководитель группы биологов профессор Басс уверен, что это поможет понять, каким образом мозг управляет человеческой речью.

Вы, может быть, удивитесь, но до сих пор ученые не могут дать внятного ответа на один простой вопрос: как мы говорим? Точнее говоря, каким образом нам удается вообще издавать звуки? Нет, конечно же, всем известен общий принцип: в этом процессе принимают участие губы, зубы, язык и голосовые связки, а если говорить о других животных, то набор органов, участвующий в рождении звука, может быть несколько иным.

Но вся загвоздка заключается в том, что этот достаточно сложный процесс обеспечивается слаженной работой десятков, а иногда даже сотен мышц, которые расслабляются и сокращаются по сигналам, поступающим из центральной нервной системы. Именно согласованность их действий, а также правильное чередование во времени таких сигналов делают возможной человеческую речь, кошачье мяуканье и мурлыканье, птичье пение, лягушачье кваканье и другие звуковые коммуникации.

А вот каким образом происходит такое правильное распределение сигналов нервного центра, ученые до сих пор не знают. Более того, не совсем ясно, где именно в мозге находятся те участки, которые руководят столь сложной и ответственной работой мышц. Однако недавно нейрофизиологи приблизились к разгадке этой тайны. Причем помогла им в этом, как ни странно, не кто-нибудь, а… рыба.

Впрочем, ничего странного в этом нет — я думаю, все вы знаете о том, что поговорка "Молчит, как рыба" с биологической точки зрения некорректна. На самом деле у рыб очень хорошо развиты звуковые коммуникации, однако в большинстве случаев эти существа общаются между собой в инфразвуковом диапазоне, который человеческое ухо воспринимать не может (хотя некоторые млекопитающие, например тюлени и киты, инфразвук слышат). В то же время некоторые из рыб могут издавать звуки в привычном для нас частотном диапазоне. К таковым относится забавная тихоокеанская рыба-мичман (Porichthys notatus).

Эта небольшая, но подвижная рыбка, относящаяся к группе рыб-жаб (Batrachoidiformes), обитает в северной части Тихого океана недалеко от американского побережья. Они малоподвижны, плавают не очень хорошо, зато умеют ходить по морскому дну на плавниках, как и другие представители данного семейства. Ее можно встретить как в приливной зоне, причем во время отлива она мастерски прячется под камнями или кучками водорослей, так и в более глубоких местах, где на дне много ила.

Установлено, что взрослые рыбы совершают постоянные вертикальные миграции — днем скрываются на глубине, а ночью подбираются ближе к береговой линии. Несмотря на довольно угрожающий внешний вид, рыба-мичман достаточно безобидна — основу ее питания составляют мелкие раки. Хотя руками трогать ее все же не стоит: как и у всех Batrachoidiformes, у нее на спине есть несколько шипов, в основании которых находятся ядовитые железы.

Вообще, рыбы-мичманы имеют много интересных особенностей. Например, оказавшись без воды, они могут какое-то время дышать атмосферным воздухом (роль легкого при этом выполняет плавательный пузырь). Кроме того, мичманы имеют особенные органы — фотофоры, которые представляют собой группы клеток, расположенные по бокам головы. Эти клетки могут испускать слабое свечение, которое делает рыбу практически незаметной во время ее ночных вылазок в приливно-отливную зону, когда она ходит по песку, отражающему лунный свет.

Но это еще не все. Как было установлено еще в прошлом веке, эти рыбы умеют… петь! А точнее, жужжать. Подобные "серенады" самцы поют дамам своего сердца в период размножения, но слышат их не только те, кому они предназначены, но и все, кому не посчастливилось оказаться рядом. Эти звуки оказываются настолько громкими, что владельцы плавучих домов в окрестностях Сан-Франциско, рядом с которыми мичманы исполняли свои любовные песни, неоднократно жаловались на то, что их дома от этого начинают вибрировать. А так как влюбленный чешуйчатый "кабальеро" способен петь два-три часа без перерыва, то страдания несчастных домовладельцев можно понять. Те же, кто постоянно слышит эти песни, утверждают, что они очень похожи на монотонное бормотание монахов какого-нибудь тибетского монастыря.

Благодаря исследованиям ихтиологи установили, что механизм этого пения достаточно прост: мышцы, окружающие плавательный пузырь рыбы, начинают согласованно сокращаться, в результате чего этот орган, заполненный воздухом, принимается то закачивать его, то выпускать, а его стенки при этом вибрируют (это аналогично игре на шотландской волынке). Недавно же исследователи из университета Корнелла (США) профессор Эндрю Басс и его коллеги Борис Чагноуд и Роберт Бейкер решили изучить, какие зоны мозга руководят работой всех мышц, участвующих в процессе такого "пения".

Ученые использовали стандартную технику введения микроэлектродов в те области заднего мозга, которые контролируют мышцы, окружающие плавательный пузырь. В итоге им удалось выявить две группы нейронов, каждая из которых контролирует один из параметров издаваемого звука и чья деятельность строго скоординирована между собой.

Выяснилось, что первая группа нейронов поддерживает постоянную деполяризацию, то есть каналы, закачивающие в клетку ионы и убирающие их оттуда, у них практически всегда открыты. Это приводит к тому, что данные нейроны все время находятся в состоянии возбуждения и, следовательно, постоянно сообщают мышцам о том, что последним нужно работать. Получается, что данная группа клеток отвечает за длительность звука.

Но это еще не все. Данные нейроны также связаны с нервными клетками другой группы, для которых характерны постоянные сверхбыстрые колебания мембранного потенциала. Иными словами, они быстро возбуждаются, но так же быстро и успокаиваются. В результате управляемые ими мышцы постоянно получают приказы вроде: "Ну-ка напряглись", а буквально через секунду: "Быстро расслабились". В результате нейроны второй группы отвечают за частоту звука, а также служат своеобразными "метрономами", задающими ритм.

Интересно еще и то, что "нейроны длительности" никак не зависят от "нейронов частоты", но тем не менее могут влиять на работу последних, время от времени побуждая их то возбуждаться, то успокаиваться. Любопытно также, что их отростки имеют выход к слуховому анализатору рыбы, что дает возможность мичману иметь хоть какое-то представление о длительности собственной "песни".

Кроме того, Басс и его коллеги установили, что они также делают еще одно важное дело — перед началом каждой песни посылают импульсы в ухо, которые понижают чувствительность клеток слухового анализатора к данному звуку. Если бы этого не было, то мичман мог бы оглохнуть от собственной песни — ведь она идет в буквальном смысле слова из недр его чрева, и анализатор просто не может не реагировать на данное жужжание.

Причем делается это так: после принятия импульса ухо становится менее чувствительным лишь к "родным" шумам, но анализатор продолжает улавливать внешние звуки. Далее рыба затихает на считанные миллисекунды, слушает происходящее снаружи, потом за те же миллисекунды издает звук и замолкает снова. Получается, что ее "песня" вовсе не является непрерывной, как это кажется со стороны. Любопытно, что и здесь наблюдается четкая синхронность действий — все "команды импульсов" (понизить чувствительность — начать пение — закончить пение — повысить чувствительность) даются приблизительно 100 раз в секунду.

Профессор Басс утверждает, что, хоть "пение" мичмана куда проще, чем птичьи трели или человеческая речь, тем не менее принцип управления работой мышц, обеспечивающий звуковые коммуникации, должен быть схожим у всех позвоночных животных от рыб до млекопитающих. Он уверен, что изучая этот процесс на примере мичманов, ученые смогут приблизиться к разгадке тайны управления человеческой речью. И тогда можно будет найти способ борьбы с такими недугами, как глухота и немота. Однако сейчас до этого пока еще очень далеко…

Антон Евсеев

Источники:

1. ПРАВДА.Ру