Зрение земноводных

Жданова Т. Д.

Организм каждого живого существа обеспечен множеством сложных систем, в том числе для познания окружающей их среды и ориентации в ней. Особое значение имеют нервная система и связанные с работой органов чувств сенсорные системы, а также процессы, связанные с психической деятельностью. Эти, так называемые «окна» в мир, обеспечивают способность животных воспринимать и анализировать внешнюю и внутреннюю информацию, чтобы адекватно на нее реагировать. Благодаря целесообразным системам животные получили в дар ощущение и восприятие, внимание и воображение, память, способность к обучению и даже элементарное мышление (рассудочную деятельность). Последнее характерно не только для млекопитающих, птиц но, как это ни удивительно, для представителей ряда видов насекомых.

Назначение нервной системы – воспринимать действующие на организм раздражители и отвечать на них соответствующей реакцией; обеспечивать разнообразнейшую психическую деятельность животного; регулировать работу всех органов, координировать функции организма и обеспечивать его целостность.

Эксперименты с земноводными и наблюдения за их поведением в природных условиях показали, какой высокой чувствительностью наделены их организмы. Амфибии отлично видят и слышат, ощущают в окружающей среде присутствие даже минимальных количеств химических веществ и самых слабых полей. Кроме того, «живые приборы» амфибий способны предсказывать предстоящую погоду, чтобы животные могли строить свое поведение сообразно ее изменениям. Каким образом им это удается?

Важную роль здесь играют замечательные органы организма животных – органы чувств, оснащенные рецепторами. Одни из них относятся к дистанционным – органы зрения, слуха, обоняния, которые способны воспринимать раздражение на расстоянии; другие – вкусовые органы и органы осязания – лишь при непосредственном контакте.

Органы чувств являются частью анализаторов – сенсорных систем, проникающих почти в каждый уголок организма. Именно анализаторы получают разнообразные внешние и внутренние сигналы от рецепторов своих органов чувств. Затем они анализируют эту информацию, формируют определенное решение и передают «указание» различным органам для целесообразных действий. Иногда органы чувств сами являются анализаторами. Но в основном они составляют рецепторный отдел, находящийся на периферии (конце) анализаторов. Проводящие пути от рецепторов и центральные нейроны образуют проводниковый отдел анализатора. Определенные участки мозга, обрабатывающие сигналы от рецепторов, составляют центральную, «мозговую», часть анализатора. Благодаря такой сложной и целесообразной системе, к примеру, зрительного анализатора, производится точный расчет и управление прыжком лягушки и броском ее липкого языка к движущейся добыче. Или анализаторы синхронизируют время для откладывания икры и развития молоди с периодом дождей в засушливых местах обитания амфибий. Живые «приборы» позволяют различать и звуковые сигналы самцов. Если это брачный призыв, то самка устремляется в сторону его звучания. Если же это территориальный сигнал, то другой самец должен покинуть чужой участок.

Бесконечное множество удивительной по сложности и взаимной согласованности работы совершают анализаторы и органы чувств земноводных. Они ответственны за непрерывный синтез различных ощущений, целостное восприятие окружающего мира, координацию действий особи и организацию ее видового и индивидуального поведения. Остается только сожалеть, что на сегодняшний день в строении, действии этих «чудо-приборов» и их систем остается так много неясного.

Зрение амфибий

Зрение – это данная животным способность получать информацию о внешнем мире посредством улавливания излучаемых или отражаемых объектами электромагнитных излучений в диапазоне волн от 300 до 800 нм, которые называют световыми. Земноводные с помощью зрения получают основную часть информации о внешнем мире, которая обрабатывается в «мозговом центре» зрительного анализатора. Особенно оно важно для амфибий, за исключением червяг, обладающих хорошим обонянием, при добывании пищи. Зрение обеспечивает им охоту даже в темноте, поскольку глаза некоторых ночных охотников обеспечены вертикально расположенным зрачком, напоминающим зрачок кошки. В дневное время их «конструкция» позволяет зрачку превращаться в узкую щелку, чтобы защититься от яркого света. У амфибий, подкарауливающих добычу в дневное время над водной поверхностью, зрачок расположен горизонтально.

Зрительная система амфибий позволяет быстро распознавать различные объекты, оценивать опасность и правильно на нее реагировать. При этом защитная реакция может быть довольно простой. Завидев приближающегося врага, лягушка, например, мгновенно прыгает туда, где темнее, – будь то вода или суша. Часто защитная реакция бывает очень сложной и с помощью зрительных анализаторов включает целую цепь поведенческих актов. Сетчатка глаза амфибий кодирует и передает в мозг комплекс качественных признаков окружающего мира. В «мозговом» центре происходит сравнение этой информации об объектах с извлеченными из памяти знаниями. Это могут быть хранящиеся в памяти, наследственно полученные эталоны или сведения, приобретенные опытным путем. Благодаря этому животные могут довольно точно зрительно различать объекты, особенно опасные. Например, жабы после укуса шмеля, осы, пчелы долго помнят их внешность. Они не нападают даже на безобидных насекомых, которые походят на жалящих обидчиков.

Большой интерес у ученых вызывает третий лобный «глаз» амфибий, функции которого установлены пока лишь в общих чертах. Холоднокровные животные с его помощью определяют критическую для себя температуру воздуха. Как только она приближается к опасной, подается сигнал, что амфибия должна срочно спрятаться в укрытие. Некоторые ученые считают, что этот замечательный орган, как компас, помогает лягушке найти дорогу домой. Кроме того, он может ощущать световые волны, определяя даже в какой плоскости осуществляются их колебания. Человеческий глаз воспринимает эти волны просто как свет.

Кожа земноводных тоже преподнесла сюрприз – ее анализаторы входят в состав зрительной системы, обеспечивая животному дополнительную чувствительность к свету.

Целесообразное устройство глаз для работы в различных средах

Амфибии обладают универсальным устройством глаз и автоматической системой для их целесообразного применения. Оптической частью глаз амфибий являются роговица, хрусталик и стекловидное тело. В задачу оптики входит фокусирование изображения на световоспринимающих элементах сетчатки. Глаза земноводных устроены с расчетом на работоспособность в двух стихиях. Световые лучи в воздухе преломляются в основном роговицей, а в водной среде – хрусталиком. При этом фокусировка изображения производится как в современных фотоаппаратах. Хрусталик передвигается вдоль оптической оси глаза, то приближаясь к сетчатке, то отодвигаясь от нее.

Для того, чтобы глаза амфибий не подсыхали на воздухе, они предусмотрительно снабжены веками (верхним, нижним и мигательной перепонкой). Сухопутные виды наделены, кроме того, слезными железами, смачивающими роговицу глаз. Прекрасно устроены для работы в обеих средах и фоторецепторы. У животных, проживающих на суше, светочувствительным элементом в фоторецепторах является пигмент родопсин, а у обитателей водоемов с пресной водой – порфиропсин. Последний предназначен для «работы» именно в стоячих желтоватых водах. Сюда плохо проникает коротковолновая часть света, поэтому порфиропсин дан для обеспечения чувствительности в его длинноволновой части. Замечательным свойством глаз, например, у тритонов и саламандр является то, что при погружении животных в водоем для нереста, большая часть родопсина в фоторецепторах автоматически заменяется на порфиропсин. А летом при выходе на сушу родопсин также автоматически занимает свое место. Порфиропсин предназначен также и для головастиков. Но как только они подрастут, к моменту выхода на сушу, фоторецепторы перестроятся на пигмент родопсин.

Приведенные примеры наглядно демонстрируют универсальность устройства глаз земноводных, а также уникальность происходящих в них процессов. Во-первых, они обеспечены достаточно сложными технологиями производства пигментов на оба случая жизни, а, во-вторых, – автоматизированной системой включения производства того или иного светочувствительного элемента. Эта зрительная система, работающая под руководством генетической программы, обеспечивает подачу в рабочую зону необходимого в данное время пигмента и утилизацию уже ненужного. И она же решает всю совокупность проблем по организации и управлению производством.

Роль зрительной системы в управлении движением

Зрительная система земноводных, так же как и многих других животных, играет важную роль в осуществлении целенаправленного движения особей. Например, она помогает виртуозно прыгать по деревьям квакшам-древолазам. Зрительный анализатор, подобно электронной машине, обеспечивает расчет траектории полета квакши и топографические характеристики места ее приземления. Определив перед прыжком форму листа или ветки, он готовит программу точного «приземления» амфибии и мгновенного прикрепления с помощью присосок.

Живые управляющие системы удивительно целесообразны и непостижимо сложны. Создавая веками «умные рукотворные» машины и механизмы, люди лишь недавно стали сознавать, что делают некое упрощенное, приблизительное подобие того, чем обладают животные. Примером такой технической системы, способной к целенаправленным действиям, может служить зенитное орудие, управляемое радаром. Можно проследить определенное сходство в действиях орудия и живой системы – лягушки. Когда цель оказывается в радиусе действия орудия, происходит наведение на нее и выпуск снаряда для поражения. Также и лягушка поворачивается или прыгает в сторону летящего насекомого, с большой точностью выбрасывает язык и настигает добычу. Обе эти системы специально предназначены для конкретной цели и поражают ее независимо от положения и скорости, которые могут варьировать в определенных пределах.

В обоих случаях механизмы, которые обеспечивают попадание, имеют некоторые общие главные элементы: во-первых, это движущаяся или неподвижная мишень; во-вторых, – воспринимающее устройство – сенсорный орган (радар в случае зенитного орудия и глаз у лягушки). Такое устройство необходимо, чтобы установить положение мишени и составляющих ее движения в трехмерном пространстве в определенный момент времени. Мишень как бы передает информацию о себе и своем местонахождении через воспринимающее устройство; в-третьих, – систему обработки информации, или вычислительное устройство. Такая система анализирует полученную информацию и предсказывает положение мишени в последующие моменты. У лягушки для этого служит мозговой отдел системы зрительных анализаторов, а у зенитного орудия – специальное устройство. Они обеспечивают вычисление направленности движения ствола орудия и языка лягушки для поражения мишени. Все расчеты основываются на информации, поступающей от сенсорного органа – в одном случае радара и в другом – глаза амфибии; в-четвертых, обе системы имеют орган действия – так называемый эффекторный орган, непосредственно осуществляющий управляемое действие. В случае орудия – это ствол со снарядом, который при выстреле пересечет траекторию мишени в рассчитанный момент. У лягушки им является липкий язык, выбрасываемый изо рта для контакта с добычей точно в расчетное время и с заданной скоростью.

Вычислительное устройство, обрабатывающее информацию является центром этих управляющих систем. Работа устройства управления зенитным огнем вполне известна, а механизмы обработки информации в мозгу лягушки пока таят в себе много неясного. А ведь это пример только одного поведенческого акта из целого комплекса целенаправленных действий лягушки при пищевом поведении. Не менее точный расчет сопровождает молниеносный прыжок этого животного в сторону добычи. И если случается, что он оказался недостаточно точным, то система управления позволяет скорректировать полет. Лягушка успевает развернуться в нужном направлении, орудуя растянутыми перепонками на широко расставленных пальцах лап. И делает она это в последний момент, так как во время прыжка ее глаза закрыты и втянуты внутрь орбит во избежание возможных травм. Лишь вблизи добычи в рассчитанный момент лягушка выставляет вперед лапы, открывает глаза, с высокой точностью корректирует движение тела и только потом осуществляет выброс своего липкого языка.

Какими же удивительно сложными управляющими системами наделена «обыкновенная» лягушка. Как устройство для преследования цели могло стать результатом последовательного самосовершенствования амфибий? Могли ли постепенно возникнуть и сенсорный орган – глаз, и вычислительное устройство – мозговой отдел системы анализаторов, и эффекторный орган – подвижный липкий язык особой конструкции с целесообразным способом крепления во рту, чтобы образовать замкнутую цепь для осуществления серии целесообразных поведенческих актов? По аналогии, могли ли даже за миллиарды лет положенные рядом все необходимые части сенсорного органа зенитной установки (радара), вычислительного устройства и самого орудия со стволом и снарядом, способны постепенно самособраться и самоорганизоваться для целенаправленного поражения мишеней?

Чему может научить людей обычная лягушка?

Исследование зрительных органов лягушки позволило выяснить, что она обладает интересной особенностью – практически видит только движущиеся предметы. То есть глаз лягушки преимущественно отсеивает информацию о неподвижных предметах и настраивается на движущиеся объекты. И таким образом она концентрирует свое внимание на добыче или приближающемся хищнике, сопернике и т.д. Это свойство очень помогает лягушке быстро и адекватно реагировать на возникшую ситуацию. Изучение биониками таких особенностей глаза лягушки позволило построить электронную модель ее зрительного анализатора, которая может узнавать движущиеся предметы и классифицировать их на полезные, вредные и безразличные объекты. В результате был создан прибор ретинатрон, который не реагирует на неподвижные предметы, находящиеся в поле зрения, и обеспечивает наблюдение за движущимися, например самолетами. Рукотворная модель человека по сравнению с миниатюрной системой глаза лягушки представляет собой сравнительно громоздкое сооружение. Модель создана для непрерывного анализа обстановки над аэродромом и фиксирования появление самолетов, идущих на посадку, чтобы избежать их столкновения.