Матеріал підготував Джош Кессіді. Переклад статті: How Your Dog’s Nose Knows So Much.
У сонячний день біля Мартінеса, штат Каліфорнія, доброзичлива німецька вівчарка на ім’я Зінка мчить стежками Регіонального парку Бріонес у шлеї з датчиками, батареями і дротами. За нею слідує її тренер Шей Кук із довгим повідцем у руках.
Команда тренується, щоб вистежувати людей, які пройшли пересіченою місцевістю годинами або навіть днями раніше. Їхня пошуково-рятувальна підготовка дає їм змогу знайти єдину людину в лісі, сільській місцевості або навіть у галасливому університетському містечку, заповненому студентами. Вони також шукають зниклих людей, загиблих унаслідок стихійних лих, таких як пожежі та землетруси.
Але сьогодні їхнє завдання полягає в іншому: допомогти вченим у науковому експерименті, щоб з’ясувати, як запахи розсіюються з часом, і як мозок розшифровує інформацію про невидимий світ запахів, що нас оточує.
Кожен власник собаки знає, що вони здатні вловлювати запахи, які недоступні людям. Одне дослідження показало, що собаки можуть уловлювати запахи в 100 000 разів краще, ніж люди.
«Задоволення — виходити на вулицю і спостерігати, як пошуково-рятувальна собака опрацьовує слід і врешті-решт знаходить людину», — сказала Джуді Джінн, аспірантка в лабораторії доктора Люсії Джейкобс у Каліфорнійському університеті в Берклі. «Якщо ви ніколи не бачили це раніше, це досить дивовижне видовище».
Джинн завершує дослідження, метою якого є пролити світло на напрочуд складне питання про те, як собаки можуть вистежувати ціль, використовуючи крихітну кількість запаху, яку люди навіть не помічають.
«Насправді, в минулому ця область не дуже добре вивчалася», — сказала вона. «Але зараз вона набирає обертів».
Експеримент є частиною співпраці між шістьма університетами країни, що фінансується фондом National Science Foundation’s Brain Initiative. Він називається «Odor Navigation Project». Учасники з різних галузей дослідження, включно з поведінкою тварин, генетикою, фізіологією і механікою рідини, об’єдналися, щоб вивчити, як тварини використовують запах, щоб зрозуміти навколишнє середовище.
Національний проєкт має далекосяжну мету: допомогти розробити більш ефективні пристрої — можливо, навіть нове покоління роботів, які зможуть шукати специфічні запахи: вибухових речовин, наркотиків та інших небезпечних хімічних речовин в аеропортах, метро, на заводах і в інших місцях.
Джинн організувала експеримент, у якому «прокладальник сліду» йшов за заздалегідь заданим маршрутом по пересіченій місцевості в парку. Потім вона використовувала GPS та інші датчики, прикріплені до шлейки пошукового собаки, щоб зафіксувати, наскільки точно Зінка йшла шляхом статиста.
В експерименті прокладальник сліду отримав перевагу в одну годину — хоча Зінка може вистежувати людей навіть через кілька днів. Навіть дощ не зупиняє її.
Слідуючи за пошуковою групою з переносною метеостанцією, Джинн виявила, що собака точніше йшов по сліду статиста в умовах підвищеної вологості. Вона сказала, що, на її думку, вологість може допомогти вловлювати ароматичні частинки на землі і на рослинності, і не дає змоги забирати їх вітру. Джинн сподівається, що її результати будуть опубліковані цього року.
Дослідники досі не дійшли згоди про те, що саме чують собаки. Джинн вважає, що собаки виявляють сліди парів, що виділяються з крихітних клітин мертвої шкіри, волосся і поту, які люди втрачають під час ходьби.
Джон Крімальді, який вивчає механіку рідини в університеті Колорадо в Боулдері, вивчає структуру самих запахів. Він є провідним дослідником проєкту. Крімальді та його лабораторія використовують спеціальні методи для вивчення фізики того, як запахи поширюються в повітрі та воді.
Виявляється, є повсякденні приклади того, як невидимі запахи поширюються навколо нас.
«Коли ви бачите дим, що виходить із труби, або те, як розпливається молоко, коли ви наливаєте його у свою каву, вони мають дуже складну структуру», — сказав Крімальді. «Насправді вони всі використовують одну й ту саму фізику».
Одне з досліджень Крімальді включає використання лазерів для вимірювання того, як флуоресцентний барвник поширюється у великому резервуарі з водою. Дослідники використовують дані про те, як барвник нерівномірно
розсіюється з часом, для створення комп’ютерних моделей, які відтворюють рух хімічних речовин.
Потім дослідники запускають різні комп’ютерні програми, які перевіряють на здатність обчислити джерело. Крімальді хоче з’ясувати, які алгоритми краще визначають джерело запаху в моделі.
«Зрештою, ми хочемо побудувати механістичну модель, щоб ми могли реально зрозуміти, як працює мозок під час пошуку джерела запаху», — сказав він. «Ми хочемо знайти оптимальні стратегії, які б можна було використовувати для програмування робота для виконання подібних завдань, таких як пошук і порятунок».
У той час, як Крімальді вивчає структуру запахів, інші лабораторії, що беруть участь у проєкті «Odor Navigation Project», зосереджені на інструментах, які тварини використовують для виявлення запахів шляхом «реверсивної інженерії носа собаки».
Працюючи в Університеті штату Пенсільванія, Брент Крейвен і його колеги вивчали анатомію собачого носа і те, як повітря проходить через нього.
Крейвен і його колеги використовують технології сканування, такі як МРТ, щоб зазирнути в черепи різних ссавців. Вони виявили, що багато хто з тварин, які, як вважається, мають сильний нюх, як і собаки, як правило, мають подібну структуру в задній частині носа.
«Це називається нюхова область», сказав Крейвен. «Це тупикова область у задній частині носа. Ось де розташовані сенсорні клітини».
Вона сповнена тонких кісток, відомих як раковини, які покриті слизовою оболонкою. Кістки скручені як лабіринт усередині черепа собаки. Раковини вкриті сенсорними клітинами, званими нюховими нейронами, які передають інформацію в мозок.
У собак близько 60000 нюхових нейронів. Це в 15 разів більше, ніж у людей.
У людей є нюхові нейрони в маленькій ділянці нагорі внутрішньої частини їхніх носів. Оскільки немає особливої конструкції для їхнього розташування, повітря, яке нюхають люди, змішується з рештою повітря, яким ми дихаємо. Оскільки всі наші сенсорні клітини знаходяться в одній області, вони можуть бути бомбардовані запахами, що ускладнює розпізнавання окремих запахів.
Але, за словами Крейвена, собаки не унікальні, коли справа стосується гостроти нюху.
Ґрунтуючись на структурах, знайдених ученими в МРТ, багато тварин мають нюх, який можна порівняти з собачим.
«У них усіх є така ж нюхова область», — сказав Крейвен. «Але люди і деякі інші примати не такі хороші».
Дослідники з Університету штату Пенсільванія використовували дані сканування, щоб створити комп’ютерну модель, яка імітує анатомію носа собаки, всередині і зовні.
Вони провели випробування в комп’ютерній моделі, щоб побачити, як повітря проходить через тонкі структури, щоб знайти підказки, які можуть призвести до нових розробок для детекторів запахів.
Одна перевага, яку собаки мають перед людьми, це форма їхніх ніздрів. Точніше прорізи, що знаходяться з боків їхніх ніздрів.
Метью Стейматес — інженер-механік у Національному інституті стандартів і технологій, лабораторії федерального уряду в Гейтерсберзі, штат Меріленд. Він вивчає способи поліпшення детекторів вибухових речовин, наркотиків і токсичних промислових хімікатів. І для цього Стейматес цікавиться, як форма ніздрів собаки допомагає їм так точно визначати запахи.
Стейматес, чиї роботи фінансуються окремо від проєкту «Odor Navigation Project», узяли комп’ютерну модель носа собаки, розроблену в штаті Пенсільванія, та роздрукували її на 3D-принтері для створення анатомічно правильного штучного носа собаки, з раковинами та нюховою областю.
Він додав до моделі носа собаки повітряний шланг, щоб імітувати природну швидкість нюхання собаки. Собаки нюхають близько п’яти разів на секунду.
«Він нюхає, як справжній собака», — сказав Стейматес.
Подивившись на ніс, використовуючи спеціальну техніку відеозйомки, звану методом Шлірена, Стейматес зміг побачити, як форма ніздрів собаки дає їм змогу вдихати спереду, а потім відводити повітря, що видихається, назад і вбік. Це створює миттєву область низького тиску в передній частині носа собаки.
Навіть за того, що штучний ніс вдихає і видихає той самий об’єм, повітря спрямовується вперед, щоб заповнити цю область низького тиску. Це дає змогу собакам отримувати свіжий зразок з області перед ними з кожним вдихом.
Наслідуючи форму ніздрів, Стейматес пропонує, щоб нові детектори могли не тільки брати проби з області, що безпосередньо примикає до пристроїв, а й також могли б втягувати повітря з віддаленішої відстані, що дасть змогу розширити зону дії.
«Більшість сучасних детекторів наркотиків, а також хімічної та біологічної загрози, в основному, просто всмоктують повітря через отвір і аналізують його», — сказав Стейматес. «Але у собак є активна система відбору проб, яка дійсно унікальним чином взаємодіє з навколишнім середовищем».
FAQ: Звідки ніс вашого собаки знає так багато?
У собак близько 60 000 нюхових нейронів — це в 15 разів більше, ніж у людини. Це дозволяє їм виявляти найдрібніші сліди запахів, які люди не відчувають.
Собаки вловлюють запахи мертвих клітин шкіри, поту і волосся, які людина залишає позаду. Навіть через кілька днів або за несприятливих умов, таких як дощ, вони можуть знаходити ці сліди.
Структура їхнього носа, включно з нюховими нейронами і спеціальними прорізами з боків ніздрів, дає змогу собакам ефективно вловлювати й аналізувати запахи, підтримуючи постійний потік свіжого повітря.
Запахи поширюються повітрям і водою подібно до того, як дим або рідина рухаються в навколишньому середовищі. Ці складні структури запаху собаки можуть розбирати завдяки своєму унікальному нюховому апарату.
Вчені проводять експерименти з GPS і датчиками на собаках, щоб відстежувати їхню точність під час вистежування, а також використовують комп’ютерні моделі, щоб зрозуміти, як ніс собаки взаємодіє із запахами.
Так, вологість допомагає запахам залишатися на поверхні землі та рослинності, що робить їх більш доступними для собак. У суху погоду запахи швидше розсіюються.
Собаки можуть нюхати до п’яти разів на секунду, створюючи область низького тиску перед своїм носом. Це допомагає їм постійно отримувати свіжі порції запаху, що покращує їхню здатність аналізувати навколишнє середовище.
Бічні прорізи допомагають виводити повітря, що видихається, в сторони, щоб не змішувати його з новими запахами, які собака вдихає спереду, що збільшує ефективність пошуку.
Дослідники використовують 3D-моделі собачого носа, щоб вивчити, як він працює. Це може допомогти створити нові технології для детекторів запахів, таких як виявлення вибухівки або хімікатів.
Мета поточних досліджень — створити механістичну модель роботи носа, щоб розробляти роботів і пристрої, які зможуть шукати запахи настільки ж ефективно, як собаки, наприклад, для рятувальних операцій або пошуку небезпечних речовин.
Що принесе 2025 рік власникам тварин.
⚠️ Усі висновки на нашому порталі ми пропонуємо вам прочитати і взяти до відома на ваш розсуд. Не займайтеся самолікуванням! У наших статтях ми збираємо останні наукові дані та думки авторитетних експертів у галузі здоров'я. Але пам'ятайте: поставити діагноз та призначити лікування може лише лікар.
Портал призначений для користувачів старше 13 років. Деякі матеріали можуть не підходити для дітей молодше 16 років. Ми не збираємо персональні дані у дітей молодше 13 років без згоди батьків.
