Как размер мозга влияет на стратегию охоты у насекомых

Исследователи из Кембриджа изучают, что делает мозг эффективным и как это влияет на поведение насекомых.

Как и в экономике, в нейронауке существует закон убывающей отдачи — удвоение вложенных ресурсов не равно удвоению производительности. С увеличением мозга появляется больше доступных ресурсов, которые можно направить на определённые задачи, но всё имеет свою цену, и эволюция взвешивает затраты и выгоды, чтобы создать максимально эффективную систему.

«Более крупные мозги специализированы на высокой производительности, поэтому есть определённое преимущество в том, чтобы быть больше и лучше, — говорит профессор Саймон Локлин. — Но поскольку у большинства животных мозги очень маленькие, должны быть и преимущества в малом размере». Действительно, существует сильное давление отбора в сторону минимально необходимой для выживания производительности — биологически важно быть не лучшим, а лучше ближайшего конкурента.

Имеет ли значение размер? Обладают ли мелкие насекомые с относительно малым числом нейронов теми же способностями, что и более крупные животные? «Когда животное ограничено, это потому, что его нервная система просто не справляется? Или потому, что она оптимизирована для конкретной среды?» — задаётся вопросом доктор Палома Гонсалес-Беллидо.

При финансировании ВВС США Гонсалес-Беллидо изучает охотничье поведение различных летающих насекомых — от крошечных мух-убийц (Coenosia attenuata) до более крупных ктырей и больших стрекоз — чтобы определить, как их зрительная система влияет на стратегию атаки и на какие компромиссы им приходится идти ради успеха.

Стрекозы — одни из крупнейших летающих насекомых. Они охотятся на более мелких насекомых, таких как комары, патрулируя свою территорию. Они мало изменились за 300 миллионов лет эволюции — скорее всего, потому, что идеально оптимизированы для своей экологической ниши.

«Другие исследователи обнаружили, что стрекозы способны на сложные вещи, например, внутреннее прогнозирование действий своего тела и компенсацию этих действий, — говорит Гонсалес-Беллидо. — Но способны ли более мелкие животные, такие как крошечные мухи, на столь же сложные и точные подвиги?»

Мухи-убийцы (Coenosia attenuata) — быстрые и безжалостные мухи длиной около четырёх миллиметров. Они нападают на всё, что, по их мнению, могут поймать. Однако решение атаковать добычу не так просто, как взлететь за любым пролетающим объектом. Как только муха-убийца взлетает за потенциальной жертвой, она раскрывает себя и рискует стать добычей для другой мухи-убийцы.

Чтобы помочь этим хищным и каннибалистическим мухам есть (и не быть съеденными), им нужно летать быстро и видеть быстро. Насекомые видят с гораздо более высокой скоростью, чем большинство других животных, но даже среди насекомых мухи-убийцы и стрекозы видят невероятно быстро — со скоростью до 360 герц (Гц). Для сравнения, люди видят с частотой около 60 Гц.

«Для жертвенных животных самое важное — быстро уйти с пути, — говорит Гонсалес-Беллидо. — Хищникам же нужно быть быстрыми и точными в движениях, чтобы быть успешными. Но для очень мелких хищников, таких как насекомые, приходится идти на компромиссы».

Делая «пиксели» на своих фоторецепторах максимально узкими, мухи-убийцы жертвуют чувствительностью ради разрешения. При ярком свете они видят лучше, чем их добыча схожего размера — дрозофилы. Однако ограничения по чувствительности и разрешению, накладываемые на мух-убийц их крошечными глазами, означают, что они могут видеть и атаковать только то, что пролетает близко.

В то время как стрекозы с их большими глазами и лучшим разрешением могут не торопиться и использовать вычислительные мощности мозга, чтобы оценить, подходит ли добыча для атаки, мухи-убийцы атакуют, не успев определить, смогут ли они её поймать, обездвижить или съесть — иначе они рискуют упустить добычу. Оказавшись относительно близко к потенциальной жертве, муха-убийца должна решить, продолжать ли погоню или отступить — это один из компромиссов, возникших в результате эволюции столь крошечной зрительной системы.

В начале 2000-х Локлин определил энергоэффективность отдельных нейронов, оценив количество молекул АТФ (молекул, доставляющих энергию в клетках), используемых на бит закодированной информации. Для этого он сравнил фоторецепторы у различных насекомых. Локлин и его коллеги обнаружили, что фоторецепторы подобны автомобилям — чем выше производительность, тем больше энергии они требуют, и затраты растут непропорционально производительности. «Для любой системы, будь то у крошечного насекомого или крупного млекопитающего, вы не хотите чего-то чрезмерно усложнённого, потому что это будет стоить дороже, — говорит Локлин. — Так в чём корень неэффективности и как природа эволюционировала эффективные нервные клетки с самого начала?»

Исследователи из инженерного факультета используют обратный подход, чтобы ответить на вопросы о том, как мозг работает так эффективно, рассматривая системы сверху вниз. «Если вы проведёте обратный инжиниринг поведенческой стратегии животного, спросив, как животное решило бы задачу при определённых ограничениях, а затем найдёте оптимальное решение, вы часто обнаружите, что животные довольно близки к оптимальному», — говорит доктор Гийом Эннекен, изучающий, как нейроны работают вместе для создания поведения.

Эннекен исследует, как мозговые цепи устроены так, чтобы стать оптимизированными для задачи: например, как приматы, такие как обезьяны, способны оценить направление движения объекта. «До сих пор неизвестно, как мозговые цепи генерируют оптимальные интерпретации неоднозначной информации, полученной от несовершенных сенсоров, — говорит он. — Преодоление неопределённости — одна из ключевых проблем, с которой должны сталкиваться мозги».

Разные животные находят свои собственные решения. И у стрекоз, и у мух-убийц системы оптимальны, но оптимальны по-своему. Мухам-убийцам выгодно быть такими мелкими, поскольку это даёт им высокую манёвренность, позволяя ловить добычу, которая быстро поворачивает. Стрекозы намного крупнее и могут делать то, что не могут мухи-убийцы, но их размер означает, что они не могут так же резко повернуть или остановиться.

«Отвечая на некоторые вопросы об эффективности мозговых цепей, больших или малых, мы, возможно, сможем понять фундаментальные принципы работы мозга и его эволюции», — говорит Локлин.