Yra scenų, kurios atrodo beveik neįmanomos: dramblys, švelniai pakeliantis tortiliją jos nesulaužydamas; kitas, tyrinėjantis ertmę medžio kamiene net nepažvelgdamas į vidų; jauniklis, vos juntamai paliečiantis motiną – lyg taktilinis šnabždesys. Dešimtmečius mokslas aiškino šiuos gebėjimus išskirtine straublio muskulatūra. Dabar paaiškėjo, kad tai tik dalis istorijos.
Naujame žurnale Science publikuotame tyrime dėmesio centre atsidūrė beveik nematomas veikėjas: maždaug tūkstantis jutiminių plaukelių – vibrisų – dengiančių Azijos dramblio straublį. Tai nėra paprasti „ūsai“: šie keratino siūlai yra itin specializuoti lytėjimo organai, veikiantys visiškai kitaip nei bet kurio iki šiol tirto žinduolio.
Tyrimą atliko Max Planck Institute for Intelligent Systems Haptic Intelligence skyrius, sujungęs biomechaniką, neuro mokslą ir medžiagų mokslą, kad atskleistų visą šių plaukelių struktūrą – nuo šaknies iki galiuko. Rezultatas – stulbinantis natūralios inžinerijos pavyzdys.
Lytėjimas, kompensuojantis silpnesnę regą
Drambliai nepasižymi aštria rega. Jų oda stora, o aplinka dažnai dulkėta ar miškinga, todėl tyrinėti pasaulį vien akimis nėra patogu. Jų jutimų pasaulyje dominuoja uoslė, klausa ir ypač lytėjimas. Straublys – tai evoliuciškai susiliejusi viršutinė lūpa ir nosis – yra šio jutiminio pasaulio centras.
Kaskart, kai vienas iš šių ūsų paliečia paviršių, jis sulinksta ir perduoda vibracijas mechanoreceptoriams plaukelio pamate. Šie receptoriai mechaninį išlinkimą paverčia elektriniais signalais, kuriuos smegenys interpretuoja kaip erdvinę informaciją. Iki šios vietos viskas panašu į tai, kas vyksta žiurkėms ar katėms. Tikroji staigmena atsiskleidžia išanalizavus, kaip šie ūsai yra pastatyti.
Nei apvalūs, nei vientisi: netikėta ūsų architektūra
Graužikų vibrisos tyrinėjamos dešimtmečius. Jos cilindro formos, beveik vientisos ir gana vienodo standumo per visą ilgį. Be to, pažeistos jos gali ataukti. Dramblio atveju vaizdas visiškai kitoks.
Mikrotomografijos ir elektroninės mikroskopijos vaizdai parodė, kad straublio ūsų skerspjūvis yra suplokštėjęs – labiau primena žolės lapą nei cilindrą. Tokia forma leidžia lengviau lankstytis tam tikromis kryptimis, ypač išilgai straublio ištempimo ašies.
Dar įdomiau tai, kas vyksta jų viduje. Plaukelių pamate yra tuščiavidurės ertmės – tarsi smulkūs vamzdeliai, primenantys ragų ar kanopų vidinę struktūrą. Ši porėta sandara sumažina svorį ir kartu veikia kaip smūgių sugerties sistema. Tai itin svarbi adaptacija, nes šie ūsai, praradus juos, nebeatauga. Kiekvienas plaukelis turi atlaikyti visą dramblio gyvenimą trunkančius prisilietimus, trankymus ir trintį, kol gyvūnas kasdien suėda iki 200 kilogramų maisto.
Standumo gradientas, keičiantis taisykles
Pagrindinis tyrimo atradimas susijęs ne tiek su forma, kiek su mechaninėmis savybėmis. Naudodami nanokietumo matavimo metodą (nanoindentaciją), kai mikroskopiniu deimantiniu antgaliu spaudžiami įvairūs plaukelio taškai, mokslininkai nustatė, kad standumas nėra vienodas.
Pamatai, kur plaukelis įsikibęs į odą, yra kieti – jų mechaninės savybės primena standų plastiką. Artėjant prie galiuko medžiaga palaipsniui minkštėja, kol tampa elastinga tarsi minkšta guma. Tarp šaknies ir galiuko standumas gali skirtis net iki 40 kartų.
Toks „funkcinis gradientas“ paverčia kiekvieną vibrisą jutikliu su integruota informacija. Kai objektas paliečia ūsų galiuką, mechaninis signalas, pasiekiantis receptorius, yra kitoks, nei kai kontaktas įvyksta arčiau pamato. Dramblio ūsai neturi aktyviai „šluoti“ erdvės, kaip tai daro žiurkės – gyvūnas gali spręsti, kur įvyko prisilietimas, vien iš signalų kokybės.
Inžinieriai tai vadina „medžiaginiu intelektu“: kai pasyvi struktūra dėl savo fizinės sandaros pati apdoroja informaciją.
Kad geriau suprastų, ką praktiškai reiškia toks standumo gradientas, tyrėjai 3D spausdintuvu sukūrė padidintą vieno ūsų modelį su kietu pamatu ir lanksčiu galiuku. Lengvai paliesdami įvairius objektus šia „lazdele“, jie pastebėjo, kad pojūtis kinta priklausomai nuo kontakto vietos, net užmerktomis akimis.
Kompiuterinės simuliacijos patvirtino hipotezę: suplokštėjusi forma, porėta vidinė sandara ir standumo gradientas sustiprina vibracinio atsako skirtumus. Taip dramblio smegenys gauna tarsi taktilinį žemėlapį, užkoduotą pačiame plaukelyje.
Tai paaiškina, kaip drambliai geba manipuliuoti trapiais objektais jų nepažeisdami, reguliuoti spaudimą tyrinėjant ertmę ar greitai reaguoti į kliūtį, palietusią vidurinę straublio dalį.
Arčiau katės nei žiurkės
Tyrimo autoriai palygino dramblio ūsus su naminių kačių vibrisomis. Paaiškėjo, kad katės taip pat turi standumo gradientą – kietesnė šaknis ir minkštesnis galiukas – nors jų skerspjūvis ir vidinė struktūra yra kitokia. Tuo tarpu pelių ir žiurkių vibrisos yra vienodai standžios per visą ilgį ir atspindi kitokią jutiminę strategiją, paremtą aktyviu ūsų judinimu.
Ši įvairovė sustiprina vieną pagrindinių evoliucinės biologijos idėjų: tam pačiam uždaviniui nėra vienintelio sprendimo. Visi gyvūnai turi suvokti aplinką, bet evoliucija randa radikaliai skirtingus būdus tam pasiekti.
Be gryno susižavėjimo gamta, šis atradimas turi ir technologinį potencialą. Sukurti jutiklį, kuris užkoduoja erdvinę informaciją be sudėtingų algoritmų, galėtų supaprastinti robotų, gebančių sąveikauti su trapiais objektais ar judėti tamsiose, chaotiškose erdvėse, projektavimą.
Robotas su „ūsu“, turinčiu integruotą standumo gradientą, galėtų aptikti ne tik patį prisilietimo faktą, bet ir tikslią vietą, taip sumažindamas skaičiavimų apkrovą. Pasaulyje, kuriame robotika vis dažniau semiasi įkvėpimo iš biologijos, dramblio straublys tampa netikėtu dizaino vadovu.
Pasaulis, jaučiamas oda
Ilgą laiką dramblių tyrimai daugiausia sukosi apie jų ekologiją, socialinį elgesį ir pažinimo gebėjimus. Šis darbas atveria kitokį langą – į jų intymią jutiminę patirtį.
Įsivaizduoti pasaulį dramblio straublio pojūčiais – tai mąstyti apie tekstūrų, spaudimų ir vibracijų kraštovaizdį. Visatą, kurioje kiekvienas prisilietimas turi reikšmę, o tūkstantis mažyčių plaukelių sukuria tokį turtingą lytėjimo vaizdą, kad jis kompensuoja regos ribotumus.
Šioje keratino, porų ir mechaninių gradientų sąveikoje evoliucija paslėpė svarbią pamoką: jautrumas ne visada priklauso nuo judesio ar dydžio, o nuo to, kaip yra sudaryta medžiaga, kuri liečia pasaulį.
