Лягушки и жабы — обладатели уникального для позвоночных цветового зрения
Учёные из Лундского университета (швед. Lunds universitet) в Швеции провели исследование ночного зрения лягушек и жаб. Возможно, эти земноводные видят в темноте лучше, чем какие-либо другие животные. Лягушки и жабы могут различать цвета в таких условиях освещения, в которых люди не способны видеть вообще ничего.
Большинство позвоночных, включая человека, имеют два типа зрительных клеток, расположенных в сетчатке: колбочки и палочки. Колбочки позволяют нам различать цвета, но они, как правило, нуждаются в довольно сильном свете и, следовательно, не работают, когда темнеет. Всё зрение человека в сумерках — работа палочек, мир для нас становится чёрно-белым.
Но у жаб и лягушек зрительный аппарат отличается от человеческого. Было известно, что их зрительные клетки — палочки с различной чувствительностью. Это уникальная особенность, не обнаруженная у других позвоночных. Исследователи подозревали, что лягушки и жабы способны различать цвета в условиях низкой освещённости. Но исследование шведских учёных стало первым, которое это доказывает.
«Удивительно, что эти животные на самом деле могут видеть цвета в экстремальной темноте, вплоть до абсолютного порога чувствительности зрительной системы. Это неожиданный результат», — говорит профессор биологии Альмут Келбер (Almut Kelber).
О том, что палочки в сетчатке лягушек способны различать цвета (синий и зелёный) в условиях крайней темноты, стало ясно после проведения эксперимента, в котором лягушки искали выход из замкнутого пространства в почти полной темноте и двигались в сторону слабо светящегося отверстия, закрываемого различными светофильтрами. Известно, что эти земноводные предпочитают двигаться в сторону синего цвета, и действительно зафиксировано, что при достаточной (для лягушек) интенсивности светового потока они делают больше попыток добраться именно до синего пятна. О том, что земноводные различают и другие цвета, свидетельствуют эксперименты над жабами, самцы которых показывают видоспецифичные реакции на окрас партнёра — игнорируют или выбирают красно-жёлтый либо сине-зелёный окрас.
Исследование фототаксиса у лягушек. Экспериментальная установка с двумя слабосветящимися пятнами разного цвета, ИК-датчики для фиксации прыжков. С увеличением интенсивности света растёт количество попыток прыгнуть на свет, после определённого порога лягушка чаще прыгает в сторону синего пятна.
Цветовое зрение земноводных используется по-разному, в зависимости от того, чем они заняты. В ходе других экспериментов исследователи изучили, в какой степени лягушки и жабы используют цветовое зрение, когда ищут себе пару или охотятся. Результаты показали, что животные прекращают реагировать на цветовую информацию при падении освещённости достаточно рано, когда речь заходит о поиске полового партнёра, но при охоте воспринимают цвет в таких условиях, в которых человек цвет уже не различает. Говорится, что это приблизительно такая освещённость, которую можно наблюдать в ясную, но безлунную ночь.
«Мы уже показали ранее, что мотыльки и гекконы также могут различать цвета в сумерках лучше людей. Однако, лягушки, видимо, обладают уникальной способностью видеть цвета в темноте», — заключает Альмут Келбер.
Следует заметить, что наличие цветового зрения у земноводных не значит, что они видят цвета так же, как люди или другие животные с цветовым зрением.
Цветовое зрение — способность различать отдельные поддиапазоны электромагнитного излучения в диапазоне видимого спектра (369—760 нм), иначе говоря — воспринимать и дифференцировать цвет.
Мир глазами лягушки
Для исследования иерархии классификаторов и понятий, относящихся к зрительному восприятию у животных, чрезвычайно интересна работа четырех ученых из Массачусетского технологического института (Дж.Летвин и др.) «Что сообщает глаз лягушки мозгу лягушки»3. Лягушка была избрана авторами в качестве подопытного животного потому, что ее зрительный аппарат обладает некоторыми качествами простоты, которые делают его удобным для изучения. Прежде всего, сетчатка глаза лягушки однородна; она не имеет в отличие от глаза человека области с повышенной чувствительностью, на которую нужно проектировать наиболее важную часть изображения. Поэтому и взгляд лягушки неподвижен, она не следит взглядом за двигающимся предметом, как это делаем мы. С другой стороны, если лягушка качается, сидя на листе кувшинки, ее глаза совершают такие движения, которые компенсируют качание, так что изображение внешнего мира на сетчатке остается неподвижным. Информация от сетчатки передается по зрительному нерву к так называемому зрительному бугру мозга. Этим лягушка также отличается от человека в сторону простоты, так как у человека есть два канала передачи информации от сетчатки к мозгу.
Зрение играет большую роль в жизни лягушки: с его помощью она охотится и спасается от врагов. Исследование поведения лягушки показывает, что она отличает добычу от врага по размерам и состоянию движения. Очень интересно, что движение играет здесь решающую роль. Завидев маленький (размеров насекомого или червя) движущийся предмет, лягушка прыгает и схватывает его. Лягушку можно обмануть, раскачивая на ниточке маленький несъедобный предмет. Но на неподвижного червяка или насекомое лягушка не обращает ни малейшего внимания, и она может умереть с голоду среди обилия пищи, если эта пища неподвижна. Большие движущиеся предметы лягушка считает врагами и спасается от них бегством.
Сетчатка глаза лягушки, как и других позвоночных, имеет три слоя нервных клеток. Верхний (самый внешний) слой образуют светочувствительные рецепторы — палочки и колбочки. Затем идет слой ассоциативных нейронов нескольких типов. Одни из них (так называемые биполярные клетки) дают преимущественно вертикальные аксоны, по которым возбуждение передается в более глубокие слои. Другие (горизонтальные, или амакринные клетки) связывают нейроны, расположенные на одном уровне. Последний по глубине залегания — третий слой — образуют так называемые ганглиозные клетки. Их дендриты получают информацию от клеток второго слоя, а аксоны представляют собой длинные волокна, которые сплетаются в жгут — зрительный нерв, соединяющий сетчатку с мозгом. Эти аксоны ветвятся, входя в зрительный бугор мозга, и передают информацию дендритам мозговых нейронов.
Глаз лягушки имеет около миллиона рецепторов, около трех миллионов ассоциативных нейронов второго слоя и полмиллиона ганглиозных клеток. Такая структура сетчатки дает основание предположить, что анализ изображения начинается уже в глазу животного и изображение передается по зрительному нерву в терминах каких-то промежуточных понятий. Сетчатка как бы является вынесенной на периферию частью мозга. Это предположение подтверждается тем, что расположение на поверхности зрительного бугра точек входа нервных волокон (аксонов) совпадает с расположением соответствующих ганглиозных клеток на выходе сетчатки. И это несмотря на то, что на протяжении зрительного нерва волокна многократно переплетаются друг с другом и меняют свое положение на срезе нерва. Наконец, к тому же заключению приводят и данные эмбриологии о развитии сетчатки.
В описываемых опытах в зрительный нерв лягушки вводился тонкий платиновый электрод, что позволяло регистрировать возбуждение отдельных ганглиозных клеток. Лягушка помещалась в центр алюминиевой полусферы, имеющей (изнутри) матово-серый цвет. По внутренней поверхности полусферы могли перемещаться различные темные предметы — прямоугольники, диски и т. п., поддерживаемые с помощью магнита, расположенного с внешней стороны полусферы.
Результаты экспериментов мы можем суммировать следующим образом. Каждая ганглиозная клетка имеет определенное рецептивное поле, т. е. участок сетчатки (множество рецепторов), с которого она собирает информацию. Состояние рецепторов вне рецептивного поля никак не влияет на состояние ганглиозной клетки. Размеры рецептивных полей у клеток разного типа, если измерять их угловыми размерами соответствующей видимой области, варьируются от 2 до 15° в диаметре.
Ганглиозные клетки делятся на четыре типа в зависимости от того, какой процесс в своем рецептивном поле они регистрируют. Эти типы следующие:
- Детекторы длительно сохраняющегося контраста. Эти клетки не реагируют на включение или выключение общего освещения. Но если в рецептивном поле появляется край объекта, более темного или более светлого, чем фон, цвета, то клетка сразу же начинает генерировать импульсы.
- Детекторы выпуклых краев. Эти клетки возбуждаются в том случае, если в рецептивном поле появляется маленький (не более 3°) выпуклый объект. Максимальное возбуждение (частота импульсов) достигается, когда диаметр объекта составляет примерно половину диаметра рецептивного поля. На прямой край объекта клетка не реагирует.
- Детекторы движущихся краев. Их рецептивное поле обладает шириной примерно 12°. Клетка реагирует на любой различимый край объекта, более темного или более светлого, чем фон, цвета; но только при условии, что он движется. Если через поле плавно перемещается предмет шириной более 5°, то возникают две реакции: на передний и на задний край.
- Детекторы затемнения поля. Они посылают серию импульсов, если внезапно уменьшается общая освещенность рецептивного поля.
Чрезвычайно интересно, как расположены окончания зрительных волокон в зрительном бугре мозга. Мы уже говорили, что в плане это расположение совпадает с расположением соответствующих ганглиозных клеток в сетчатке. Но, кроме того, оказывается, что окончания волокон каждого типа находятся в зрительном бугре на определенной глубине, так что в мозгу лягушки имеется четыре слоя нейронов, воспринимающих зрительную информацию, и каждый слой как бы получает оттиск сетчатки, но в определенном аспекте соответственно одному из четырех типов ганглиозных клеток. Эти слои и являются датчиками информации для высших отделов мозга.
Опыты, подобные описанным, довольно сложны, и по поводу их интерпретации иногда возникают споры. Детали описанной системы могут измениться или получить другое толкование. Тем не менее общий характер системы понятий первого уровня установлен, по-видимому, достаточно твердо. Мы видим переход от точечного описания к локальному, учитывающему непрерывную структуру изображения. Ганглиозные клетки служат распознавателями таких первичных понятий, как край, выпуклость, движение, отнесенных к определенной области видимого мира.
Почему ядовитые лягушки такие разноцветные?
Экология
Расцветка ядовитых лягушек древолазов зависит от того, в какой среде обитают эти земноводные. Ученые с помощью игрушечных моделей лягушек смогли определить, почему отдельные представители одного и того же вида могут так сильно отличаться по цвету.
Локальная эволюция показала, что желтые полоски на теле лягушек не позволяют им должным образом скрываться от хищных птиц и делают их слишком уязвимыми там, где обычно обитают зеленые лягушки. Хищники с большей вероятностью могут заметить и поймать странных по цвету лягушек, не зная о том, что они ядовиты. Именно поэтому лягушки определенной местности имеют определенный цвет.
«Когда хищники видят, что их цель отличается по цвету от того, что они привыкли считать опасным, они нападают на нее, — говорит исследователь Бернард Энгерс (Bernard Angers), биолог из Университета Монреаля. – С течением долгого времени на данной территории остались лягушки одного цвета».
Игрушечные лягушки
В животном мире яркие цвета обычно являются сигналом для хищников, что им стоит быть начеку. Токсичные мотыльки и бабочки имеют желто-зеленые крылья, цианидные сороконожки светятся ярким биолюминесцентным светом.
Ядовитая лягушка древолаз Ranitomeya imitator имеет яркую пятнистую расцветку на спине. В зависимости от среды ее обитания, цвета могут отличаться. В новых исследованиях Энгерс и его коллеги обратили внимание на два семейства этих земноводных, обитающих на севере Перу. В высокогорных районах Долины Кайнарачи лягушки имеют зеленый цвет, их расцветка чем-то напоминает змеиную. В низменностях (примерно в 10 километрах от гор), тот же самый вид лягушки уже имеет желтые полоски на спине.
Для проверки эффективности таких предупредительных окрасок для защиты от хищников, ученые поехали в Перу и взяли с собой несколько тысяч пластилиновых моделей лягушек в натуральную величину, которые имели разную окраску: с желтыми полосками, зеленым рисунком и просто коричневую.
«Самым сложным было провести эти модели самолетом, не вызвав подозрений у таможенников», — рассказывают ученые. К счастью, тысячи 18-миллимитровых игрушечных лягушек были доставлены по назначению. Исследователи расположили по 300 желтых, 300 зеленых и 300 коричневых лягушек в двух областях – в высокогорном районе, где обитали зеленые лягушки, и в низинах, где жили желтые земноводные. Ученые закрепили лягушек в листьях и три дня ежедневно наблюдали за ними.
Сигналы опасности
Когда ученые проверили, как поживают их игрушечные игрушки, выяснилось, что их тревожили. Всего 129 моделей подверглись нападению, что доказывали отпечатки клюва, следы укусов змей, а также отсутствие конечностей. Некоторые были разорваны на 2 части. Еще 200 игрушек пытались съесть тараканы и муравьи, их ученые отсеяли.
В обоих местах, как заметили ученые, лягушки, которые имели характерную для этой области окраску, подверглись небольшому количеству атак хищников, больше всего нападений пришлось на тех, у кого окраска отличалась. Коричневые лягушки, которые выглядели так, как их неядовитые прототипы, подверглись нападению хищников примерно в 13 процентах случаев.
Результаты исследований объясняют, почему лягушки разной расцветки не живут на одних и тех же территориях. Хищники привыкают избегать определенные цвета, например, желтый. Однако если в этой местности появится зеленая лягушка, они не будут ассоциировать данный цвет с опасностью, поэтому они нападают на таких существ.
Ученые сообщили, что были удивлены такими эволюционными отличиями и особенно тем, что разные цвета преобладают в местностях, сравнительно недалеко удаленных друг от друга. Также им интересно, как быстро хищники поняли, что эта пища представляет для них угрозу или она несъедобна. В ходе исследований выяснилось, что больше всего нападений на «чужеземных» лягушек наблюдалось именно в первый день. В третий день нападений было меньше всего.
1. Подчеркни карандашами разного цвета (по своему выбору) названия животных разных групп.
Окунь, шмель, снегирь, сом, жираф, муравей, еж, сова.
В рамке расшифруй условные обозначения, то есть покажи, каким цветом обозначена каждая группа животных.
Насекомые Рыбы Птицы Звери
2. Раскрась только:
Вариант 1 — насекомых.
Вариант 2 — рыб.
Вариант 3 – птиц.
Вариант 4 – зверей.
Представь свою работу классу, познакомься с работами других ребят. Организуйте взаимную проверку.
3. Изобрази с помощью схематических рисунков главные признаки:
Насекомые — шесть ног. Рыбы — чешуя. Птицы — перья. Звери — шерсть
4. Приведите примеры животных (не менее трёх в каждой группе). Для подбора примеров воспользуйтесь атласом-определителем «От земли до неба».
а) Насекомые: комар, муха, бабочка
б) Рыбы: окунь, щука, лещ
в) Птицы: воробей, ворона, орёл
г) Звери: тигр, лось, крот
5. Задание мамы про растения очень понравилось Наде. И она придумала для тебя похожее, про животных. Здесь спрятались названия четырёх групп животных. Найди их и закрась клеточки с буквами карандашами разного цвета.
6. Сравни размеры животных, изображённых на рисунке. В красных квадратиках пронумеруй животных в порядке увеличения размеров. В синих квадратиках пронумеруй в порядке уменьшения размеров. Попроси соседа по парте проверить тебя.
Придумай для своих одноклассников подобное задание, но с другими примерами.
7. Укажи стрелками, к каким группам относятся эти животные. Проверь себя по учебнику.
Земноводные — стрелка к двум лягушкам. Пресмыкающиеся — крокодил, ящерица, змея.
8. В книге «Зелёные страницы» прочитай рассказ «Похожие, но разные». Узнай, чем похожи и чем различаются лягушка и жаба. Запиши.
Сравнение лягушки и жабы
Сходство: Внешний вид. Жабы и лягушки живут как в воде, так и на суше. Большинство амфибий откладывает яйца, и в этом лягушки и жабы совпадают. Из икринок вылупляются маленькие головастики, больше похожие на рыб, чем на лягушат.
Различия: У лягушки размер и длина тела меньше, чем у жабы. Жабы – ночные животные. У лягушек кожа обычно скользкая, а у жаб матовая и бородавчатая. У многих лягушек есть зубы, а у жаб их нет. Жаба откладывает меньше яиц, чем лягушка, всего от 4000 до 12000 штук в год, а самка бычьей лягушки от 18 000 до 20 000 за один сезон.
Выбрать другое задание / страницу