Выяснилось, зачем слону усы на хоботе
У слонов плохое зрение и толстая кожа. Осязать мир им помогают усы — примерно тысяча крошечных волосков на хоботе. Без них даже самый большой зверь на суше словно слепнет.
Каждый ус для слона — предмет первой необходимости. Хоботом он делает почти все, а волоски служат чуткими датчиками. В отличие от некоторых млекопитающих, слоны не умеют восстанавливать утраченные вибриссы: потеря каждого образует на хоботе постоянную «слепую зону». И это лишь одна из особенностей, которая ставит их особняком в мире фауны.
«Усы слона — это что-то инопланетное», — говорит инженер-механик Эндрю Шульц из Института интеллектуальных систем имени Макса Планка.
Их уникальному строению Шульц и его коллеги посвятили исследование, результаты которого увидели свет на страницах журнала Science. Они выявили структурные особенности, которые наделяют слоновьи усы своего рода «встроенным» интеллектом, обеспечивая чувствительность, необходимую этим крупнейшим наземным млекопитающим для ориентации в окружающем мире.
Грызуны вроде крыс умеют шевелить усами. Слоны такой возможности лишены — у них нет нужных мышц. Их вибриссы практически неподвижны, даже несмотря на то, что расположены на гибком хоботе. Шульца, который до этого изучал механику движений самого хобота, это ставило в тупик.
«Раз усы не шевелятся, значит, в них должен быть заложен механизм, который позволяет им работать не хуже, чем у животных, способных двигать усами», — предположил ученый.
Чтобы это проверить, Шульц собрал междисциплинарную команду. Инженеры, нейробиологи, биологи и материаловеды взялись за изучение усов детенышей и взрослых азиатских слонов. (Все слоновьи усы были получены от животных, умерших естественной смертью, и предоставлены ветеринаром зоопарка. «Мы не выщипывали усы у слонов», — заверил исследователь).
Раньше исследователи, как правило, зажимали усы с двух концов и сосредотачивались на середине. В этот раз команда изучила волосок по всей длине — с помощью электронной микроскопии, компьютерного моделирования и других методов.
Результат удивил всех. По форме усы слона напоминают травинки — плоские, у основания почти прямоугольные. Тесты на жесткость показали: волосок плавно переходит от упругого корня к мягкому кончику. А внутри — целая сеть крошечных полостей. Эти поры, объясняет Шульц, как амортизаторы: они гасят удар и помогают усам десятилетиями сохранять целостность.
«Я и не знал, что волосы могут быть похожи на швейцарский сыр, — признается биоинженер Дэвид Ху из Технологического института Джорджии. — Вырастить материал, полый внутри, — это само по себе удивительно».
Три особенности — форма, градиент жесткости и пористость — позволяют усам определять, в каком именно месте к ним прикоснулись. И все это без колебаний, как у крыс. По сути, чувствительность заложена в них «при изготовлении».
Пораженные открытием, ученые даже распечатали на 3D-принтере увеличенную копию уса — «волшебную палочку», как они ее окрестили. Закрыв глаза и постукивая ею по разным предметам, экспериментаторы заметили: каждый новый контакт ощущается иначе. Переход от жесткого основания к гибкому кончику, вероятно, по-разному активирует сенсорные нейроны — и слон буквально чувствует, к какому участку уса прикоснулись. Это помогает ему не упускать детали, несмотря на неважное зрение.
Исследователи также сравнили вибриссы разных животных — и пришли к неожиданному выводу: у слона они ближе кошачьим, нежели к крысиным. Как и у котов, ус слона жесткий у корня и мягкий на конце, но форма и внутренняя структура все же разные.
Эволюционный биомеханик Джон Хатчинсон из Королевского ветеринарного колледжа, называет исследование «изящным»: «Раньше я думал: усы — ну, усы и усы. А оказалось, это сложный прибор».
По его словам, еще недавно слона изучали в основном зоологи и экологи. Теперь к делу подключились инженеры и физики.
«Это необычные животные. Даже среди крупных млекопитающих они во многом уникумы. И чем больше мы их исследуем — тем больше находим того, что поражает воображение», — заключил профессор.