Elektrocepcja. Jak trąbonosy obserwują świat dzięki wyładowaniom elektrycznym?

Afrykańskie rzeki, w których żyją trąbonosy, są mętne i ciemne, więc nawet świetny aparat wzroku nie pozwoliłby im skutecznie nawigować po otoczeniu. Woda w rzekach i zbiornikach naturalnych ma jednak tę zaletę, że przewodzi prąd elektryczny. Trąbonosy, zwane też mrukami Petersa, w procesie ewolucji nabyły zdolność wykorzystywania tej właściwości do wykrywania, śledzenia i rozróżniania rozmaitych obiektów wokół siebie. Ich zdolność nazywana jest elektrolokacją. Tak jak nietoperze, posługując się echolokacją, emitują i odbierają dźwięki o wysokiej częstotliwości, tak trąbonosy wysyłają i odbierają słabe sygnały elektryczne. I tak jak dźwięk wyemitowany przez nietoperze odbija się od obiektów i wraca do nich, dostarczając im informacje o najbliższym otoczeniu, tak trąbonosy wyczuwają zmiany właściwości pola elektrycznego wywoływane przez znajdujące się wokół nich obiekty. W ten sposób impulsy elektryczne umożliwiają im „rozglądanie się” w zamulonej wodzie.

Ryby te swoją nazwę zawdzięczają kształtowi ciała – mają stożkowatą głowę z długim, wyciągniętym ryjkiem, który może przypominać trąbę. Budowa głowy ułatwia wyszukiwanie owadów i robaków: trąbonosy często przebywają blisko dna, w ciemnych i błotnistych obszarach wolno płynących rzek lub jezior. Mierzą do 35 cm, a mózg stanowi nieco ponad 3 proc. ich masy ciała. To niezły wynik –  wyższy niż u znacznej większości zwierząt, włączając w to człowieka. Swego czasu traktowano tę liczbę jako szacunkowy wskaźnik inteligencji gatunku, więc i z tego względu wzbudziły zainteresowanie naukowców.

Strumienie impulsów

Zdolność do wyczuwania pól elektrycznych, czyli elektrocepcja (będąca podstawą elektrolokacji), jest u zwierząt rzadka, ale nie specyficzna dla trąbonosów. Chociaż z naszej, ludzkiej perspektywy taki rodzaj percepcji może wydawać się zaskakującym i nad wyraz skomplikowanym rozwiązaniem ewolucyjnym, to doniesienia naukowe przeczą temu, by był ewolucyjną aberracją, która tylko raz, niepowtarzalnym zbiegiem okoliczności, pojawiła się w przyrodzie. Wiele wskazuje na to, że elektrocepcja wykształciła się niezależnie co najmniej kilkukrotnie – w odrębnych miejscach i okresach.

Wśród ssaków elektrocepcją mogą pochwalić się np. dziobaki australijskie. Te zwierzęta prowadzą częściowo wodny tryb życia i dzięki elektroreceptorom znajdującym się na dziobie mogą wyczuwać potencjały elektryczne. Ich dieta w całości opiera się na zdobyczach zlokalizowanych w ten sposób – podczas nocnych polowań w wodzie obecność ofiary (np. larwy owadów lub krewetki) zdradzają nikłe impulsy elektryczne, powstające podczas skurczy jej mięśni. Inne stekowce, kolczatki australijskie, chociaż potrafią nurkować, zamieszkują głównie lądy – ale na ich pyskach również znajduje się system elektroreceptorów pozwalający im na wykrywanie zdobyczy.

Chociaż więc elektrocepcja nie występuje tylko u zwierząt wodnych, to w tej grupie jest zdecydowanie najczęstsza i jest dla jej przedstawicieli najbardziej użyteczna. Warto jednak zauważyć, że nawet w przypadku ryb nie u wszystkich mechanizmy elektrocepcji pochodzą od jednego przodka i nie w każdej grupie wyewoluowały w ten sam sposób. U ryb chrzęstnoszkieletowych (jak rekin czy płaszczka) te zdolności umożliwiają tzw. ampułki Lorenziniego, struktury znajdujące się głównie wokół głowy. Takich struktur nie obserwuje się natomiast u ryb z rodziny mrukowatych (Mormyridae), w tym trąbonosów.

Receptory elektryczne trąbonosów znajdują się w naskórku i są rozlokowane na głowie i wzdłuż ciała (poza ogonem). Dzięki nim trąbonosy odbierają informacje o zmianach w przepływie prądu elektrycznego, które tworzą „obraz elektryczny” na skórze ryby – zakodowane w nim mają być takie właściwości pobliskich obiektów jak przewodność, rozmiar, kształt i odległość od nich. Następnie sygnały elektryczne, kodowane przez elektroreceptory znajdujące się na powierzchni ciała, są przetwarzane w wyspecjalizowanych szlakach centralnego układu nerwowego, co umożliwia rybom orientowanie się w otoczeniu oraz rozpoznawanie obiektów (a więc elektrolokację). W jaki sposób ryby odtwarzają trójwymiarowy obraz na podstawie tych danych? Wygląda na to, że pomagają im ruchy przypominające taniec. Badacze sądzą, że zmienianie swojej pozycji umożliwia im zebranie informacji o obiekcie z różnych kątów – co ma wystarczać do złożenia pełnego obrazu w trzech wymiarach.

Sposoby na rozładowanie energii

W 1949 r. Hans Lissmann, brytyjski zoolog ukraińskiego pochodzenia, obserwował ryby z gatunku gymnarchus nilowy. Z zaskoczeniem zauważył, że gdy poruszają się do tyłu, omijają przeszkody równie sprawnie jak wtedy, gdy płyną do przodu – i zaczął podejrzewać, że mają one jakiś „szósty zmysł”. Niedługo później odkrył, że te ryby nie tylko reagują na każdą zmianę w polu elektrycznym wokół nich, ale także same generują słabe sygnały elektryczne, którymi prawdopodobnie posługują się, by orientować się w przestrzeni.

Aktywna elektrocepcja, jak określa się zdolność generowania sygnałów elektrycznych, jest w świecie zwierząt jeszcze rzadsza niż sama zdolność wyczuwania zmian w polu elektrycznym. Prawdopodobnie najszerzej znanymi osobnikami posiadającymi tę umiejętność są węgorze elektryczne, czyli rodzaj ryb z rzędu Gymnotiformes o podłużnym ciele. Jeden z ich gatunków, Electrophorus voltai, jest zdolny do wygenerowania napięcia nawet 860 woltów. Za pomocą pola elektrycznego te ryby są w stanie nie tylko lokalizować potencjalne ofiary, ale także je ogłuszyć i tym samym ułatwić sobie atak. U ludzi wyładowania węgorzy mogą wywołać mimowolne skurcze mięśni i bolesne uczucie drętwienia, ale ze względu na niskie natężenie i krótki czas ich trwania zwykle nie prowadzą do poważniejszych obrażeń. Warto jednak mieć na uwadze, że węgorze mogą polować wyskakując z wody, a wtedy, przy bezpośrednim zetknięciu, wydajność ataku wzrasta. Nie warto ich ignorować także dlatego, że potrafią polować w grupach – a poczucie wielu wyładowań jednocześnie na pewno nie jest doświadczeniem przyjemnym.

Aktywna elektrocepcja powstała niezależnie więcej niż raz – np. oddzielnie wyłoniła się u trąbonosów z rodziny mrukowatych (Mormyridae) w Afryce Środkowej i Zachodniej, a oddzielnie u ryb z rzędu Gymnotiformes z Ameryki Środkowej i Ameryki Południowej. Co ciekawe, w obu tych przypadkach narządy elektryczne wywodzą się z komórek mięśni szkieletowych, a ich mechanizm jest pod wieloma względami zbieżny. Jego ewolucyjnym prekursorem było zjawisko polegające na powstawaniu różnicy potencjałów elektrycznych (a więc: napięcia) między wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią błony komórkowej. W toku ewolucji ten potencjał zaczął służyć generowaniu sygnałów elektrycznych na zewnątrz organizmu ryby.

Trąbonosy mogą generować pole elektryczne dzięki wyładowaniom specjalnych narządów elektrycznych, wywodzących się z komórek mięśni szkieletowych ogona. Te ryby posługują się wyłącznie słabymi sygnałami elektrycznymi, które nie są wyczuwalne dla człowieka i nie stanowią dla niego żadnego zagrożenia. W przypadku trąbonosów wyładowania narządów elektrycznych następują w postaci krótkich impulsów (trwających około 0,3 milisekundy, następujących w odstępach około 20-200 milisekund). Zasięg elektrolokacji zwykle nie przekracza długości ciała ryby. Poza eksplorowaniem otoczenia wyładowania służą trąbonosom także do komunikacji – nie tylko odbierają i interpretują zmiany w wytworzonym przez siebie polu elektrycznym, ale jednocześnie odbierają elektryczne komunikaty wysyłane przez inne osobniki.

Technologia dogania naturę

Ludzie są zwykle w stanie rozmawiać nawet w sporym gwarze, gdzie wiele głosów z tła miesza się ze sobą. Potrafimy jednak śledzić jeden z głosów (na podstawie wielu specyficznych cech, które głos każdego z nas posiada), ignorując resztę. Niektóre zwierzęta mają trudniej, bo emitowane przez nie sygnały nie różnią się wieloma właściwościami i trudniej wyłowić ich nadawców. Dlatego, kiedy są w grupie, u wielu obserwuje się reakcję polegającą na unikaniu zagłuszania – poszczególne osobniki zmieniają częstotliwość generowanych sygnałów tak, żeby odróżniała się od częstotliwości pozostałych.

Z tej perspektywy przebywanie w grupie zwykle postrzegane jest jako problematyczne i właśnie pod tym kątem najczęściej badają je naukowcy zajmujący się zwierzętami emitującymi sygnały. W przypadku gatunków posługujących się bardzo krótkimi sygnałami, w tym delfinów czy trąbonosów, zagłuszanie się jest jednak raczej rzadko napotykanym utrudnieniem. Warto zmienić perspektywę – i próbować spojrzeć na przebywanie w grupie stale emitującej impulsy nie jak na problem, ale jak na potencjalną skarbnicę informacji.

W inżynierii znane się rozwiązania, które opierają się na kilku stale współpracujących emiterach i odbiornikach rozproszonych na dużej przestrzeni – dzięki nim urządzenia takie jak sonary czy radary multistatyczne zwiększają swój obszar detekcji. Dotychczas naukowcy tylko spekulowali, że coś podobnego może mieć miejsce u niektórych gatunków: że niektóre zwierzęta „podsłuchują” osobniki znajdujące się w pobliżu, czyli odbierają wysyłane przez nie sygnały, które nie stanowią formy komunikacji. Brakowało jednak doniesień, które opisywałyby wpływ odbierania tych sygnałów na możliwości percepcyjne. Lecz w marcu tego roku Federico Pedraja i Nathaniel Sawtell z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku wykazali w „Nature”, że trąbonosy faktycznie mogą korzystać z sygnałów wysyłanych przez inne osobniki, żeby pozyskać informacje o otoczeniu.

Spięcia w sieci

Na początku badacze sprawdzili, czy wyładowania generowane przez inne osobniki aktywują obszary ich mózgu odpowiedzialne za odbieranie informacji elektrosensorycznych ze skóry – tak dzieje się, gdy odbierają swoje własne sygnały umożliwiające im elektrocepcję. Okazało się, że tak – gdy do osobników docierały impulsy z obcego źródła, te obszary mózgu również były aktywne. To rodzi pytanie, czy pola elektryczne generowane przez inne osobniki również mogą być przetwarzane jako potencjalne źródło informacji o otoczeniu – np. by wykryć jakiś obiekt.

Badacze chcieli to sprawdzić. W tym celu wykorzystali wiedzę o typowej reakcji mruków Petersa na nowość – kiedy te spotykają jakiś nowy obiekt, częstotliwość emitowanych przez nie wyładowań się zwiększa. Dzięki temu, śledząc nadawane przez ryby sygnały, naukowcy byli w stanie stwierdzić, czy osobniki dostrzegają coś, co dopiero się pojawiło. Badane osobniki były umieszczane w zbiornikach z dwiema prostopadłymi alejkami, na których znajdowały się pewne obiekty. Ich właściwości elektryczne mogły być zdalnie zmieniane przez badaczy, tak by można było sprawdzać reakcję ryb na zmiany.

Oprócz tego, w zbiorniku znajdowały się dwa „urządzenia symulujące”, które odgrywały rolę innych osobników – mogły wytwarzać pole elektryczne, a jednocześnie dzięki temu, że nie były prawdziwymi rybami, badacze zyskali pewność, że żadne inne czynniki, jak np. zachowanie, nie będą wpływały na wynik.

Okazało się, że kiedy własne pole elektryczne trąbonosów nie sięgało do nowego, zmienionego obiektu, to i tak mogły go „dostrzec” dzięki impulsom wygenerowanym przez „urządzenie symulujące”. Kiedy je włączano, ryby zaczynały przejawiać reakcję na nowość, chociaż samodzielnie nie dostrzegały w otoczeniu zmian. Pole elektryczne wygenerowane przez urządzenie pozwoliło im objąć zasięgiem większy obszar i zareagować na to, co było dla nich dotychczas niedostępne.

Zatem impulsy elektryczne pochodzące od innych osobników realnie poszerzają trąbonosom „pole widzenia”. Badacze doszli do wniosku, że przebywanie w pobliżu innych osobników emitujących sygnały może powiększyć ich zasięg elektrolokacji nawet trzykrotnie!

Przy okazji badacze podzielili się także obserwacją, że chociaż ryby mogły wybierać dowolne miejsce, to preferowały przebywanie blisko urządzeń generujących wyładowania, co wydaje się strategicznym posunięciem, mając na uwadze ich umiejętności.

Jak nie utonąć w szumie

Na podstawie kolejnego testu badacze byli też w stanie stwierdzić, że ryby potrafią zrobić użytek z cudzych wyładowań – mogą je niejako zinterpretować, czyli wykorzystać do rozróżniania obiektów i na tej podstawie podejmować działania.

Najpierw nauczono ryby, który obiekt powinny wybierać – za wpłynięcie do komory z jednym z nich otrzymywały nagrodę, a wpłynięcie do komory z drugim wiązało się z otrzymaniem negatywnego wzmocnienia (wibracji wody lub nieprzyjemnego dźwięku). Kiedy trąbonosy się tego nauczyły, naukowcy opracowali przebieg procedury w ten sposób, by ryby mogły rozpoznać obiekty tylko na podstawie cudzych wyładowań, aby ich własne impulsy nie mogły dostarczyć im żadnych użytecznych informacji. Dokładnie rzecz ujmując, obiekty różniły się właściwościami tylko przez krótki okres czasu (około 10 milisekund), kiedy do ryb docierały impulsy elektryczne innych ryb, ale nie ich własne.

Dzięki temu, gdyby potrafiły korzystać tylko ze swoich własnych, nie byłyby w stanie właściwie wybrać pomiędzy dwoma obiektami. Stało się jednak inaczej – ryby w tej sytuacji radziły sobie z rozróżnianiem obiektów równie dobrze, jak gdyby opierały się na swoim własnym polu elektrycznym. Wygląda więc na to, że nie robi im wielkiej różnicy, czyimi impulsami „oglądają” świat – i zarówno za pomocą swoich, jak i cudzych wyładowań, mogą wykrywać obiekty, odróżniać je i na tej podstawie podejmować działania. Niewykluczone, że cudze impulsy pomagają im także konstruować bardziej szczegółowy obraz otoczenia – podobnie jak wykonywany przez nie „taniec”.

Pewne poszlaki wskazują też na to, że ten rodzaj kolektywnej percepcji nie jest tylko czymś, co się im od czasu do czasu przytrafia, ale stale obieraną strategią – badacze zaobserwowali bowiem, że trąbonosy spontanicznie ustawiają się w konfiguracjach, które sprzyjają odbieraniu niosących informację wyładowań innych osobników: często ustawiały się prostopadle do siebie, co według symulacji zapewnia im optymalny dostęp do informacji niejako udostępnianych przez ich towarzyszy.

Taki rodzaj grupowego wspomagania percepcji jest korzystny przede wszystkim dlatego, że żaden z osobników nie ponosi dodatkowych kosztów związanych z tym, że jakiś inny używa wysłanych przez niego sygnałów i nie naraża to grupy na dodatkowe ryzyko ze strony drapieżników. Jednocześnie każdy korzysta – bo dzięki samemu przebywaniu w grupie znacząco zwiększa się zakres informacji dostępnych każdemu osobnikowi.

Ten nietypowy sposób percepcji może mieć zalety niedostępne dla innych modalności zmysłowych. Bo trudno sobie wyobrazić, by ludzie, stojący nawet w niewielkiej grupie, cały czas nadawali komunikaty o tym, co widzą, i odbierali komunikaty o tym, co jest widocznie wokół z perspektywy ich współtowarzyszy – utonęlibyśmy w szumie. Rozrośnięte mózgi trąbonosów jakoś sobie z podobnym wyzwaniem radzą.