Как плодовые мушки преследуют невидимые полосы запаха, чтобы добраться до их источника.

Чтобы отслеживать запахи в турбулентном воздухе, требуется острое чувство направления и отличная память.

Фото: Жоао Паулу Бурини

Плодовая муха, охотящаяся за гниющим фруктом или партнером, ориентируется по запаху, следуя за шлейфами аромата. В дикой природе турбулентный воздух закручивает эти шлейфы в хаотичный, извилистый ландшафт — плотные химические нити, пронизывающие длинные участки чистого воздуха. Муха, пытающаяся найти источник запаха, слышит его прерывисто, из постоянно меняющихся направлений, без гарантии, что следующий запах вообще появится.

Учёные практически не представляли, как плодовые мушки справляются с этим хаотичным сигналом, имея мозг размером с булавочную головку. Долгое время биологи придерживались модели «всплеска и выброса», предполагавшей, что насекомые решают эту задачу с помощью врожденных рефлексов. Считалось, что, когда муха регистрирует сигнал обонятельными нейронами в своих усиках, она просто летит против ветра, пока сигнал не исчезнет, а затем летает из стороны в сторону, пытаясь снова его поймать. Но теперь группа исследователей под руководством Ванессы Руты, нейробиолога из Рокфеллеровского университета, показала, что плодовые мушки делают нечто гораздо более сложное.

Беговая дорожка для мух

Проблема традиционной модели «всплеска и сброса» заключается в том, что она с трудом объясняет, как насекомое отслеживает извилистый шлейф запахов на больших расстояниях. Химические сигналы, витающие в воздухе в естественной среде, часто скудны и ненадежны. Но именно эти особенности делают механизм обонятельной навигации чрезвычайно сложным для проверки. «Запахи невидимы, — говорит Рута, — и часто они переносятся турбулентным потоком воздуха». У нас нет возможности узнать, что чувствует животное в тот или иной момент.

Итак, команда Руты разработала эксперимент, чтобы это выяснить. Ученые закрепили муху (дрозофилу) над небольшим шариком, плавающим на воздушной подушке в полной темноте. «Это маленькая беговая дорожка размером с муху», — объясняет Рута. Когда муха ползла по поверхности шарика, ее повороты направляли сопло, которое подавало непрерывный поток воздуха на ее усики, так что насекомое всегда чувствовало ветер, дующий с определенного направления, как если бы оно шло по открытому полю. Затем исследователи подавали в этот воздушный поток яблочный уксус, включая и выключая его в зависимости от положения мухи на этом виртуальном поле.

Таким образом, исследователи могли точно контролировать интенсивность и направление запаха, который воспринимала муха. «Мы могли фактически создавать любой произвольный химический ландшафт», — говорит Рута. Команда могла имитировать реалистичный обонятельный опыт с турбулентными потоками, прямыми коридорами и градиентами запаха, идущими в обратном направлении. «На самом деле это не очень сложная система виртуальной реальности, но она чрезвычайно мощная», — добавляет Рута.

На этот раз экспериментаторы знали, какие именно молекулы и в каком количестве получала муха. Первым делом они проверили модель «всплеска активности и выброса». И она оказалась неэффективной.

Отслеживание краев

В эксперименте с прямым коридором из уксуса шириной около 50 миллиметров, обдуваемым ветром, мухи не делали очевидного действия и не двигались по центру. Вместо этого они прижимались к одному краю, следуя по нему в повторяющемся двухэтапном процессе. В тот момент, когда муха попадала в зону запаха, она резко разворачивалась и возвращалась обратно, совершала круг в чистом воздухе снаружи, а затем стремительно возвращалась к границе. Команда назвала это отслеживанием по краю.

Мухи также проводили гораздо больше времени за пределами шлейфа запаха, чем внутри него, хотя почти все их продвижение к источнику происходило именно в эти короткие моменты, когда они попадали под воздействие запаха. «Мухи перемещаются на несколько метров вдоль края шлейфа запаха и никогда не пересекают его», — говорит Рута.

Первое объяснение, предложенное исследователями, заключалось в том, что мухи поднимались по восходящему градиенту запаха к источнику. Но и это оказалось неверным. Когда команда изменила направление градиента, так что запах уксуса становился слабее по мере продвижения мухи, мухи так же хорошо отслеживали край.

Команда также работала с генетически модифицированными мухами, у которых свет мог напрямую активировать обонятельные нейроны одновременно в обеих усиках. Когда ученые заменили настоящий запах лучом красного света с длиной волны 660 нанометров, насекомые безупречно отслеживали край этого светового потока.

Однако настоящий сюрприз ждал команду, когда они внимательно изучили поведение мух в отсутствие каких-либо запахов, которые могли бы их направлять.

Обонятельные воспоминания

Когда исследователи заставили перышко исчезнуть, пока муха находилась вне его, насекомое продолжало возвращаться туда, где должен был быть край. Вместо того чтобы искать наугад, они направлялись туда, где, как они знали, должно быть пахучее вещество. «Похоже, у них сохранилась память, которая все еще направляла их в этом направлении», — говорит Рута.

Итак, команда начала искать эти сохраненные обонятельные воспоминания. Первым кандидатом стала структура мозга, называемая центральным комплексом, которая подобна навигационному центру в мозге насекомых.

Используя флуоресцентную микроскопию для наблюдения за работой нейронов в реальном времени, Рута и ее коллеги точно определили нейроны, которые служили компасом для мухи. В ходе отслеживания направления ветра этот компас оставался привязанным к ветру, независимо от того, находилась ли муха в зоне действия запаха или вне ее. Когда команда подавляла активность этих нейронов, мухи полностью терялись, улетая против ветра, не имея ни малейшего представления о том, как вернуться.

Однако нейронный компас был лишь одним из элементов головоломки. Чтобы найти запах, затерявшийся на ветру, мухе нужна цель — память о том, что именно искать. Команда отправилась на поиски этой памяти.

Команда обнаружила обонятельные воспоминания в другой группе нейронов, расположенных в так называемом веерообразном теле, которое, как известно, кодирует направление движения мухи. Как и в компасе, активность этих нейронов действует как указатель, но в данном случае — указатель, отмечающий предполагаемое место назначения мухи. В чистом воздухе этот указатель отклонялся от компаса, направляясь к краю облака запаха за несколько секунд до того, как муха физически разворачивалась, чтобы вернуться. Как и в случае с нейронами компаса, подавление активности нейронов, кодирующих положение края запаха, сделало невозможным для мух его обнаружение. «Когда они вылетают, у них нет непосредственной сенсорной информации, которая могла бы направить их обратно к облаку. Вот тогда-то и становится важна память», — говорит Рута.

Чтобы подтвердить, запоминают ли мухи, где находится край пера, команда проверила, могут ли насекомые обновлять эти воспоминания.

Обновление карты

Чтобы понять, что происходит в мозгу мух, команда создала компьютерную модель, в которой имитированная муха переключается между режимом вылета и режимом возвращения, обновляя сохраненное положение края шлейфа каждый раз, когда пересекает границу. Оказалось, что наиболее важными данными являются угол входа, направление, с которого муха в последний раз столкнулась с шлейфом. Без этого угла имитированные мухи больше не могли отслеживать край шлейфа.

Затем исследователи вернулись к настоящим мухам, чтобы проверить, как быстро они могут перестраивать свою обонятельную память. Они заставили мух отслеживать перо, наклоненное на 45 градусов, а затем резко перевернуть его на противоположный угол в 45 градусов. Сначала насекомые терялись, ища в старом направлении. Но одной тренировки — струи уксуса, подаваемой всякий раз, когда муха случайно оказывалась на правильном новом участке, — было достаточно, чтобы исправить проблему. Мухи мгновенно переписали свою внутреннюю цель и начали отслеживать новый участок.

«Мы могли бы придумать новые углы входа», — говорит Рута. Для нее это было одним из самых убедительных доказательств того, что обонятельная навигация плодовых мушек основана на памяти, а не на рефлексе.

Но это не обязательно означает, что старая идея с использованием заклинаний и апеллирований устарела.

Встроенная избыточность

Когда команда запустила мух через смоделированный естественный шлейф дыма в своей компьютерной модели, память об угле входа работала лучше всего вблизи источника, где шлейф держался вместе в виде цельной ленты. Дальше по ветру, где он распадался на хаотичные нити, прибывающие со всех сторон, память быстро становилась ненадежной и перекрывалась. Команда предполагает, что именно здесь мухи, вероятно, переходят к более простым рефлексам. «Животные адаптируют свою стратегию», — говорит Рута.

Она предполагает, что они, вероятно, полагаются на память, когда мир предсказуем, и отказываются от неё, когда это не так. Одна из первых задач, которую команда хочет сейчас изучить, — это определить, насколько воспоминания важны для отслеживания очень бурных потоков воздуха у живых мух, или же они заменяются другими механизмами, когда ситуация успокаивается, как предполагала их модель.

«Растет понимание роли дрозофилы и способности этой мухи предоставлять информацию о ключевых процессах преобразования мимолетных сенсорных сигналов в запоминаемые пространственные цели», — утверждает Рута. Поскольку у плодовой мухи один из самых простых и наиболее изученных мозгов, такие данные, по ее мнению, должны быть актуальны для понимания того, как этот процесс работает в остальном животном царстве. «Это фундаментальная особенность, которую способны выполнять все животные, включая тех, у кого более сложные и развитые мозги, подобные нашему», — добавляет она.

Природа, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10827-7.

Источник: arstechnica.com