Усы или вибриссы ( / v ə ˈ b r ɪ s ə / ; ед. число : вибрисса ; / v ə ˈ b r ɪ s ə / ) — это тип жёстких функциональных волос , используемых большинством млекопитающих для восприятия окружающей среды. [1] Эти волосы тонко специализированы для этой цели, тогда как другие типы волос более грубые и служат тактильными датчиками . Хотя усы находятся конкретно вокруг лица, известно, что вибриссы растут группами в различных местах по всему телу. Они есть у большинства млекопитающих , включая всех нечеловеческих приматов [2] и особенно ночных млекопитающих.
Усы — это чувствительные тактильные волоски, которые помогают ориентироваться, передвигаться, исследовать, охотиться, общаться и выполнять другие функции. [3]
В этой статье речь идет в первую очередь о специализированных чувствительных волосках млекопитающих, однако известно, что некоторые птицы, рыбы, насекомые , ракообразные и другие членистоногие также имеют похожие структуры, используемые для восприятия окружающей среды.
Вибриссы (от латинского vibrāre 'вибрировать') от характерного движения, наблюдаемого у небольшого грызуна, который в противном случае сидит неподвижно. В медицине этот термин также относится к густым волоскам, находящимся внутри человеческих ноздрей . [4]
У последнего общего предка всех современных млекопитающих были вибриссы. [5] Все остальные современные виды млекопитающих, за исключением человекообразных обезьян, сохранили то же самое предковое расположение усов, а также особые лицевые мышцы, которые их двигают. [3]
Вибриссы анатомически отличаются от других волос. Их легко визуально идентифицировать, поскольку они длиннее, жестче, значительно больше в диаметре и возвышаются над окружающим мехом на значительную величину. Кроме того, они имеют хорошо иннервированные фолликулы и идентифицируемое представительство в соматосенсорной коре головного мозга. [6] Наибольшее количество и самая длинная из них встречается среди мелких, социальных, древесных и ночных млекопитающих. Усы водных млекопитающих являются наиболее чувствительными. Во время добычи пищи в сложных, темных местообитаниях усы быстро двигаются циклическим образом, вычерчивая маленькие круги на своих кончиках. Это движение, называемое «взмахиванием», может происходить со скоростью 25 Гц у мышей, что является одним из самых быстрых движений, которые могут совершать млекопитающие. Мелкие животные используют взмахивание для позиционирования своих передних лап во время передвижения. [3]
Вибриссы обычно растут кластерами. Эти группы несколько различаются по форме и функциям, но они относительно постоянны среди наземных млекопитающих. Между наземными и морскими млекопитающими постоянство меньше (хотя общие черты, безусловно, присутствуют).
Многие наземные млекопитающие, такие как крысы [7] и хомяки [8], имеют четыре типичные группы усов на голове (называемые краниальными вибриссами ), которые могут различаться у разных животных из-за разного образа жизни. Эти краниальные группы включают: [9]
Мистические усы можно грубо идентифицировать как макровибриссы (длинные усы для ощупывания пространства вокруг головы) и микровибриссы (маленькие, направленные вниз усы для идентификации объектов). [10] Эти два типа не только трудно различить на морде животного (см., например, изображение крысы здесь), существуют также слабые различия в том, как они используются, хотя это различие, тем не менее, повсеместно упоминается в научной литературе и считается полезным для анализа.
У многих наземных млекопитающих, включая домашних кошек, также есть вибриссы на нижней стороне ноги, чуть выше лап (так называемые запястные вибриссы ). [11] Хотя эти пять основных групп часто упоминаются в исследованиях наземных млекопитающих, несколько других групп упоминаются реже; например, носовые , угловые и подбородочные усы . [12]
Морские млекопитающие могут иметь существенно различное расположение вибрисс. Например, киты и дельфины утратили свои усы на морде и приобрели вибриссы вокруг своих дыхал, [13] тогда как каждый из волосков на теле флоридского ламантина может быть вибриссой (см. изображение). [14] Другие морские млекопитающие, такие как тюлени и морские львы, имеют головные вибриссы, как и у наземных млекопитающих (см. изображение), хотя эти группы функционируют совершенно по-разному.
Вибриссные фолликулы у дельфинов приобрели и другие функции, такие как электрорецепция .
Вибриссальные волосы обычно толще и жестче, чем другие типы (пелагических) волос [15], но, как и у других волос, стержень состоит из инертного материала ( кератина ) и не содержит нервов . [15] Однако вибриссы отличаются от других структур волос, поскольку они растут из особого волосяного фолликула , включающего капсулу с кровью, называемую кровеносным синусом , который интенсивно иннервируется чувствительными нервами. [16] [17] Вибриссы симметрично расположены группами на лице и снабжают тройничный нерв. [18]
Макровибриссы мистациальные распространены среди большой группы наземных и морских млекопитающих (см. изображения), и именно эта группа получила наибольшее научное изучение. Расположение этих вибрисс не случайно: они образуют упорядоченную сетку дуг (колонн) и рядов, с более короткими усами спереди и более длинными усами сзади (см. изображения). [10] У мыши, песчанки, хомяка, крысы, морской свинки, кролика и кошки каждый отдельный фолликул иннервируется 100–200 первичными афферентными нервными клетками . [16] Эти клетки обслуживают еще большее количество механорецепторов по крайней мере восьми различных типов. [17] Соответственно, даже небольшие отклонения вибриссных волосков могут вызывать сенсорную реакцию у животного. [19] Крысы и мыши обычно имеют приблизительно 30 макровибрисс на каждой стороне лица, с длиной усов до 50 мм у (лабораторных) крыс, 30 мм у (лабораторных) мышей и немного большим количеством микровибрисс. [10] Таким образом, оценка общего числа сенсорных нервных клеток, обслуживающих мистациальный вибриссальный массив на лице крысы или мыши, может составлять 25 000. Естественные формы вибрисс мистациальных подушечек крысы хорошо аппроксимируются частями спирали Эйлера . Когда все эти части для одной крысы собираются вместе, они охватывают интервал, простирающийся от одного спирального домена спирали Эйлера до другого. [20]
Морские млекопитающие могут вкладывать в свою вибриссальную сенсорную систему даже больше, чем крысы и мыши. Усы тюленей, которые аналогичным образом выстроены по всей мистациальной области, обслуживаются примерно в 10 раз большим количеством нервных волокон, чем у крыс и мышей, так что общее количество нервных клеток, иннервирующих мистациальные вибриссы тюленя, оценивается более чем в 300 000. [21] Удивительно, но у ламантинов на губах или вокруг них находится около 600 вибрисс. [13] [ необходима полная цитата ]
Усы могут быть очень длинными у некоторых видов; длина усов шиншиллы может составлять более трети длины ее тела (см. изображение). [22] Даже у видов с более короткими усами они могут быть очень заметными придатками (см. изображения). Таким образом, хотя усы, безусловно, можно было бы описать как «проксимальные датчики» в отличие, скажем, от глаз, они предлагают тактильное чувство с диапазоном чувствительности, который функционально очень важен.
Фолликулы некоторых групп вибрисс у некоторых видов подвижны . Как правило, надглазничные, щечные и макровибриссы подвижны, [8] тогда как микровибриссы — нет. Это отражено в анатомических отчетах, которые идентифицировали мускулатуру, связанную с макровибриссами, которая отсутствует у микровибрисс. [23] Небольшая мышечная «петля» прикреплена к каждой макровибриссе и может двигать ее более или менее независимо от других, в то время как более крупные мышцы в окружающей ткани перемещают многие или все макровибриссы вместе. [23] [24]
Среди видов с подвижными макровибриссами некоторые (крысы, мыши, белки-летяги, песчанки, шиншиллы, хомяки, землеройки, дикобразы, опоссумы) периодически двигают ими вперед и назад в движении, известном как взмахивание [ 25], в то время как другие виды (кошки, собаки, еноты, панды), по-видимому, этого не делают. [6] Распределение типов механорецепторов в фолликуле вибрисс различается у крыс и кошек, что может соответствовать этой разнице в способе их использования. [17] Взмахивающие движения являются одними из самых быстрых, производимых млекопитающими. [26] У всех взмахивающих животных, у которых это было измерено до сих пор, эти взмахивающие движения быстро контролируются в ответ на поведенческие и экологические условия. [6] Взмахивающие движения происходят приступами различной продолжительности и со скоростью от 3 до 25 взмахов в секунду. Движения усов тесно координируются с движениями головы и тела. [6]
В целом считается, что вибриссы опосредуют тактильное чувство, дополняющее чувство кожи. Предполагается, что это выгодно, в частности, для животных, которые не всегда могут полагаться на зрение для навигации или поиска пищи, например, ночных животных или животных, которые кормятся в мутной воде. Усы также могут функционировать как усики для обнаружения ветра, такие как надглазничные у крыс. [27]
Помимо сенсорной функции, движения вибрисс также могут указывать на состояние ума животного [28] , а усы играют роль в социальном поведении крыс [29] .
Сенсорная функция вибрисс является активной областью исследований — эксперименты по установлению возможностей усов используют различные методы, включая временное лишение либо чувства усов, либо других чувств. Животных можно лишить чувства усов на период в несколько недель путем подрезания усов (они вскоре отрастают снова), или на время экспериментального испытания, ограничив усы гибким чехлом, например маской (последний метод используется, в частности, в исследованиях морских млекопитающих [30] ). Такие эксперименты показали, что усы необходимы для или способствуют: локализации объекта, [31] [32] ориентации морды, обнаружения движения, различения текстуры, различения формы, исследования, тигмотаксиса , локомоции, поддержания равновесия, обучения лабиринту, плавания, поиска пищевых гранул, поиска животных-кормушек и борьбы, а также прикрепления соска и сбивания в кучу у крысят. [6]
Whisking — периодическое движение усов — также, как предполагается, служит тактильному восприятию в некотором роде. Однако, почему животное может быть вынуждено «бить палками ночь», как однажды выразился один исследователь, [33] является предметом споров, и ответ, вероятно, многогранен. Scholarpedia [6] предлагает:
Поскольку быстрое движение вибрисс потребляет энергию и потребовало развития специализированной мускулатуры, можно предположить, что взмахивание должно давать животному некоторые сенсорные преимущества. Вероятные преимущества заключаются в том, что оно обеспечивает больше степеней свободы для позиционирования сенсоров, позволяет животному охватить больший объем пространства с заданной плотностью вибрисс и позволяет контролировать скорость, с которой вибриссы соприкасаются с поверхностями.
Животные, которые не машут, но имеют подвижные усы, предположительно, также получают некоторое преимущество от инвестиций в мускулатуру. Дороти Соуза в своей книге « Посмотрите, что могут сделать усы » [34] сообщает о некотором движении усов во время захвата добычи (в данном случае у кошек):
Усы наклоняются вперед, когда кошка прыгает. Зубы крепко обхватывают мышь вокруг ее шеи. Кошка держится, пока добыча не перестает извиваться.
Как ни странно, часто утверждается, что кошки используют свои усы, чтобы оценить, достаточно ли широко отверстие для того, чтобы пролезть через него их телу. [ требуется ссылка ] Иногда это подтверждается утверждением, что усы отдельных кошек достигают примерно той же ширины, что и тело кошки, но по крайней мере два неофициальных отчета указывают на то, что длина усов генетически определена и не меняется по мере того, как кошка худеет или толстеет. [28] [35] В лабораторных условиях крысы способны точно (в пределах 5–10%) различать размер отверстия, [36] поэтому кажется вероятным, что кошки могут использовать свои усы для этой цели. Однако сообщения о кошках, особенно котятах, с головами, прочно застрявшими в каком-то выброшенном сосуде, являются обычным явлением [37], что указывает на то, что если у кошки есть эта информация, она не всегда использует ее наилучшим образом.
Ластоногие имеют хорошо развитые тактильные чувства. Их мистациальные вибриссы имеют в десять раз большую иннервацию , чем у наземных млекопитающих, что позволяет им эффективно обнаруживать вибрации в воде. [38] Эти вибрации генерируются, например, когда рыба плывет по воде. Обнаружение вибраций полезно, когда животные ищут пищу, и может дополнять или даже заменять зрение, особенно в темноте. [39]
Было замечено, что обыкновенные тюлени следуют по разным путям других организмов, которые плыли впереди за несколько минут до этого, подобно тому, как собака следует по следу запаха, [30] [40] и даже различают вид и размер рыбы, оставившей след. [41] Было замечено, что слепые кольчатые нерпы успешно охотятся в одиночку в озере Сайма , вероятно, полагаясь на свои вибриссы для получения сенсорной информации и поимки добычи. [42] В отличие от наземных млекопитающих, таких как грызуны , ластоногие не перемещают свои вибриссы по объекту при его осмотре, а вместо этого вытягивают свои подвижные усы и удерживают их в том же положении. [39] Удерживая свои вибриссы неподвижно, ластоногие способны максимально использовать свою способность обнаружения. [43] Вибриссы тюленей волнистые и волнистые, в то время как вибриссы морских львов и моржей гладкие. [44] Исследования продолжаются, чтобы определить функцию, если таковая имеется, этих форм на способность обнаружения. Угол вибриссы относительно потока, а не форма волокна, однако, кажется наиболее важным фактором. [43]
Большинство китообразных имеют усы при рождении, но они обычно теряются в процессе созревания. Фолликулы и любые остаточные волосы иногда выполняют функцию осязательных или электрических органов чувств. [45]
Большая часть мозга млекопитающих , специализирующихся на усах, участвует в обработке нервных импульсов от вибрисс, что, по-видимому, соответствует важному положению, которое это чувство занимает для животного. Информация от вибрисс поступает в мозг через тройничный нерв и сначала доставляется в тройничный сенсорный комплекс ствола мозга . Оттуда наиболее изученными являются пути, ведущие вверх через части таламуса и в бочкообразную кору [46] , хотя другие основные пути через верхние холмики в среднем мозге (основная зрительная структура у зрительных животных) и мозжечок , если назвать лишь пару, все чаще подвергаются пристальному вниманию. [47] Нейробиологи и другие исследователи, изучающие сенсорные системы, отдают предпочтение системе усов по ряду причин (см. Баррельная кора ), не в последнюю очередь из-за простого факта, что лабораторные крысы и мыши являются специалистами по усам, а не по зрению.
Присутствие мистациальных вибрисс в различных линиях ( Rodentia , Afrotheria , сумчатые ) с замечательной консервацией функционирования предполагает, что они могут быть старой чертой, присутствующей у общего предка всех млекопитающих териев . [48] Действительно, у некоторых людей даже все еще развиваются рудиментарные вибриссальные мышцы в верхней губе, [49] что согласуется с гипотезой о том, что у предыдущих членов человеческой линии были мистациальные вибриссы. Таким образом, возможно, что развитие сенсорной системы усов сыграло важную роль в развитии млекопитающих в более общем плане. [48]
Исследователи начали создавать искусственные усы разных типов, как для того, чтобы понять, как работают биологические усы, так и в качестве тактильного чувства для роботов. Эти усилия варьируются от абстрактных, [50] через модели с конкретными функциями, [51] [52] до попыток воспроизвести полных усатых животных в форме робота (ScratchBot [53] и ShrewBot, [54] [55] [56] оба робота от Bristol Robotics Laboratory).
У ряда не млекопитающих имеются структуры, которые напоминают или функционируют аналогично усам млекопитающих.
У некоторых птиц вокруг основания клюва имеются особые, похожие на волосы перья, называемые щетинками, которые иногда называют усами.
Усатая конюга ( Aethia pygmaea ) имеет поразительные, жесткие белые перья, выступающие сверху и снизу глаз в остальном сланцево-серой птицы, и темный плюмаж, который устремляется вперед от макушки. Усатые конюги, отправленные через лабиринт туннелей с перьями, прикрепленными назад, ударялись головами более чем в два раза чаще, чем когда их перья были свободны, что указывает на то, что они используют свои перья так же, как кошки. [57]
Другими птицами, имеющими очевидные «усы», являются киви , мухоловки , ласточки , козодои , козодои , какапо и длинноусый сыч ( Xenoglaux loweryi ).
У некоторых рыб есть тонкие, свисающие тактильные органы около рта. Их часто называют «усами», хотя правильнее называть усами . К рыбам с усами относятся сом, карп, барабуля, миксина, осетр, данио-рерио и некоторые виды акул.
Pimelodidae — семейство сомовых (отряд Siluriformes ), широко известных как длинноусые сомы.
У птерозавров-анурогнатидов была морщинистая текстура челюстей, которая интерпретировалась как место прикрепления вибрисс, [58] хотя сами вибриссы не были зарегистрированы. [59] Совсем недавно вокруг ртов анурогнатидов был обнаружен особый тип перьев. [60]