Почему муху так сложно прихлопнуть?

Попробуйте прихлопнуть муху, и вскоре вы убедитесь, что она быстрее вас. Намного быстрее. Но каким же образом эти крохотные существа с их мельчайшим мозгом так легко нас обманывают? Вы, вероятно, размышляли об этом, после того, как бегали за мухой по всему дому, размахивая тапком, и раз за разом неудачно им хлопая. Как она так быстро двигается? Она что, читает мои мысли?

Этот вопрос был освещён в последнем эпизоде передачи BBC World Service CrowdScience, где рассказывалось о суперспособностях маленьких животных. Суть ответа состоит в том, что по сравнению с нами, мухи воспринимают наш мир в замедленном виде.

Для иллюстрации обратите внимание на часы с секундной стрелкой. Человек видит перемещения стрелки с определённой скоростью. Для черепахи эта скорость в два раза больше. Для большей части видов мух каждое тиканье часов длится примерно в четыре раза дольше. Воспринимаемая скорость времени у разных видов разная.

Это происходит оттого, что животные воспринимают окружающий их мир в виде непрерывного видео. На самом деле они строят эту картинку на основе изображений, поступающих из глаз в мозг в виде отдельных вспышек, определённое количество раз в секунду. У человека происходит примерно 60 таких вспышек в секунду, у черепах – 15, у мух – 250.

Всё относительно

Скорость, с которой эти изображения обрабатываются мозгом, называется "скоростью слияния мельканий". Обычно, чем меньше вид, тем больше у него скорость слияния – и тут мухи нас сильно опережают.

Профессор Роджер Харди из Кембриджского университета изучает работу глаз мухи, и у него есть эксперимент для определения скорости слияния мельканий.

«Скорость слияния мельканий – это просто мера того, как быстро нужно отключать и включать обратно свет, чтобы он казался непрерывным», – говорит профессор Харди.

Роджер вставляет крохотные стеклянные электроды в живые светочувствительные клетки глаз – фоторецепторы – а затем использует светодиоды, мигающие со всё увеличивающейся скоростью. Каждая вспышка светодиода вызывает небольшой электрический ток в фоторецепторах, и его можно увидеть на экране компьютера. Тесты показывают, что наиболее быстрые мухи реагировали на мигание, происходящее до 400 раз в секунду – это больше, чем в шесть раз превышает нашу скорость.

Самое быстро зрение из всех было обнаружено у мух, которых буквально называют «мухи-убийцы» [судя по всему, имеется в виду вид Coenosia attenuata, т.н. муха-охотник, происходящая с юга Европы / прим. перев.]. Это небольшие хищные мухи, живущие в Европе, ловящие других мух в воздухе, и обладающие сверхбыстрой реакцией. В мушиной лаборатории Кембриджского университета доктор Палома Гонзалес-Беллидо демонстрирует охоту мух-убийц, выпуская в специальный бокс для съёмки жертв в виде плодовых мушек. 

Палома записывает их поведение на скорости в 1000 кадров в секунду при помощи специальной камеры. Соединённый с нею компьютер записывает видео, которое перезаписывается каждые 12 секунд. Во время движения мухи Палома нажимает кнопку, если хочет, чтобы последние 12 секунд видео записались надолго.

«Наше время реакции настолько плохое, что если бы мы захотели остановить видео, думая, что что-то происходит, оно бы уже произошло», – говорит Гонзалес-Беллидо. Мы даже не успеваем нажать кнопку до того, как всё произойдёт – настолько это быстро.

Муха против мухи

Попав в бокс с жертвами, муха-убийца сначала сидела неподвижно, но как только плодовая мушка пролетела в 7 см от неё, сделала резкое движение, и внезапно муха-убийца оказалась на дне коробки, пережёвывая дрожащую мушку.

Только при просмотре замедленного видео на компьютере стало понятно, что произошло: муха-убийца взлетела, облетела плодовую мушку вокруг три раза, постоянно пытаясь схватить, а затем ей всё же удалось схватить её за передние лапки.

И вся эта история заняла всего одну секунду. Глаза воспринимают это как мелькание, поэтому хлопающая рука человека для мухи должна двигаться с черепашьей скоростью.

Чтобы муха-убийца могла двигаться так быстро, опережая даже других мух, светочувствительные клетки в её глазах содержат гораздо больше митохондрий («батареек» биологических клеток"), чем у других мух.

Это батареи, питающие клетку, поэтому быстрое зрение должно отнимать больше энергии, чем медленное. Это объясняет, почему глаза просто не установлены в режим самого быстрой работы из возможных.

Плотоядная диета мух-убийц даёт им много энергии, необходимой для питания высокоэнергетических клеток. Но даже если бы в клетках наших глаз было столько же митохондрий, у нас не было бы такого скоростного зрения, поскольку светочувствительные клетки мух устроены совсем по-другому, не как у позвоночных.

Причиной структурных различий в строении глаз является эволюция. У членистоногих и позвоночных, групп для мух и людей соответственно, эволюция глаз шла раздельно последние 700-750 млн лет.

Теория струн

Глаза мух эволюционировали, чтобы воспринимать свет через набор крохотных струноподобных структур, расположенных горизонтально по пути следования света в глазу. Эти структуры механически реагируют на свет, в то время как у позвоночных есть вытянутые клетки, похожие на трубочки, направленные в сторону света, в которых на свет реагируют химические соединения.

Роджер в своей лаборатории изучает структуру глаза мухи. «Он более чувствительный, в том смысле, что способен выдавать большой сигнал для самого малого количества света, а также он может реагировать быстрее, чем палочки и колбочки в глазу позвоночных», – поясняет он.

Этой повышенной чувствительности есть несколько причин, но именно Харди обнаружил, что они реагируют на свет механически, а не химически, как колбочки и палочки.

Механическое реагирование позволяет быстрее создавать нервные сигналы. Кроме того, существует ограничение скорости, с которой нервные импульсы могут идти – и короткое расстояние между глазом и мозгом мухи ускоряет процесс по сравнению с крупными позвоночными.

У некоторых позвоночных зрение быстрее нашего. Судя по всему, умение летать коррелирует со скоростью зрения, как и малый размер. Возможно, это связано с тем, что небольшие летающие животные должны уметь быстро реагировать в полёте, чтобы избегать приближающихся препятствий.

Замедленные хлопки

Самое быстрое зрение обнаружено у видов, ловящих мух в воздухе.

Исследуя зрение мухоловки-пеструшки, небольшой птички отряда воробьинообразных, ловящей мух на лету, учёные из Университета в Упсала в Швеции обнаружили, что она способна различать мигание света со скоростью 146 раз в секунду.

Птиц дрессировали так, чтобы они связывали мигающий свет с угощением, и они успешно отличали мигающий свет до скоростей 146 раз/с. Это примерно в два раза быстрее, чем могут видеть люди, но не так быстро, как у средней мухи. А это значит, что птицы, как и мухи, воспринимают каждое тиканье часов медленнее людей.

На мухоловок давит эволюция, заставляя воспринимать ход времени так медленно, как это возможно, чтобы опередить их быструю добычу. В ходе эволюции птицы, воспринимающие время медленнее, могут быстрее реагировать на добычу, едят больше, выращивают больше птенцов и передают скоростное зрение будущим поколениям.

Мухи, которых ловят птицы с быстрым зрениям, тоже будут вырабатывать ускоряющуюся реакцию, чтобы избежать поимки. Эта эволюционная гонка вооружений идёт больше, чем существуют сами птицы. Мухи, бывшие добычей, вырабатывали быстрое зрение, чтобы избежать поимки хищных мух с тех пор, как они научились летать.

В следующий раз, когда вы безуспешно попытаетесь прихлопнуть муху, не расстраивайтесь. Ваше неуклюжее и медленное движение встретилось с миллионами лет естественного отбора, который позволил мухам воспринимать ваши попытки в замедленном виде. В общем, для вас и для мухи время, судя по всему, идёт относительно.