Кіріспе

Жұлдызшалы түлкі (Condylura cristata) – Солтүстік Американың солтүстік бөлігіндегі ылғалды, теңіз деңгейіне жақын аймақтарда кездесетін шағын, жартылай сулы түлкі. Бұл Condylurini тайпасының және Condylura туысының жалғыз қазіргі кездегі өкілі. Оның денесіндегі сезімтал мүшелерде 25 000-нан астам ұсақ рецепторлар бар, оларды Эймер мүшелері деп атайды. Осы мүшелердің көмегімен түлкі айналасын сезінеді және сейсмикалық толқындарды анықтауға қабілетті болуы мүмкін. Мұрынының диаметрі шамамен 1 см, ал Эймер мүшелері 22 қосымшаға орналасқан. Эймер мүшелерін алғаш рет 1871 жылы неміс зоологы Теодор Эймер еуропалық түлкіде сипаттаған. Басқа түлкі түрлерінде де Эймер мүшелері кездеседі, бірақ олар жұлдызшалы түлкідегідей маманданған және көп емес. Жұлдызшалы түлкі көру қабілеті шектеулі болғандықтан, мұрынының олжа жануарларының электрлік белсенділігін анықтау үшін қолданылатыны көптен бері күдік тудырған, бірақ бұл гипотезаны нақты дәлелдеуге жеткілікті эмпирикалық мәлімет табылмады. Бұл түрдің мұрын жұлдызы мен тістері негізінен өте кішкентай олжаны жеуге бейімделген. Nature журналында жарияланған мақалада бұл жануарға ең жылдам жейтін сүтқоректі деген атақ берілген, ол жеке тағамды анықтап, жеуге бар болғаны 120 миллисекунд (орташасы 227 мс) жұмсайды. Оның миы олжаның жеуге жарамдылығын шамамен 8 миллисекунд ішінде анықтайды. Бұл жылдамдық нейрондардың жылдамдығының шегіне жуық. Бұл түлкілер су астында да иіс сезе алады, ол үшін ауа көпіршіктерін нысандарға немесе иіс іздеріне шығарып, содан кейін мұрын арқылы иісті кері жөнелтеді.

Экология және мінез-құлық

Жұлдызды мұрынды тышқан ылғалды жазық жерлерде тіршілік етеді және сулық жәндіктер (мысалы, кадисфлайлардың дернәсілдері, шыбықтар, инеліктер, шоршықтар, кран шыбықтары, жылқы шыбықтары, жыртқыш суға шомылатын қоңыздар және тас шыбықтары), құрлықтағы жәндіктер, құрттар (мысалы, жер құрттары, сорғыштар және басқа да сақиналы құрттар) сияқты кішкентай омыртқасыздармен қоректенеді. *Condylura cristata* судан алыс орналасқан құрғақ шалғындарда да кездеседі. Олар сондай-ақ Ұлы Түтінді тауларда 1676 метр биіктікте табылған. Дегенмен, жұлдызды мұрынды тышқан ылғалды, нашар кеуекті жерлерді және батпақтарды артық жақсы көреді. Ол жақсы жүзуші және өзендер мен көлдердің түбінде азық іздей алады. Басқа тышқандар сияқты, бұл жануар да азық іздеу үшін жер бетіне жақын ойыстар қазады; көбінесе, бұл ойыстар су астынан шығады. Ол күні-түні белсенді және қыста да белсенді болады, қардың астынан ойыс қазып, мұзды суларда жүзген кезде көрінеді. *C. cristata* ерекше түрде дене температурасын реттеуге қабілетті, басқа *Talpid* тышқандарына қарағанда сыртқы жағдайлардың кең ауқымында жоғары дене температурасын сақтайды. Бұл оның суық сулы ортада гүлдену қабілетін түсіндіреді. Түрдің әлеуметтік мінез-құлқы туралы көп мәлімет жоқ, бірақ олардың отар түрі болуы мүмкін деп күдіктелді. Бұл тышқан қыс соңында немесе көктемнің басында жұптасады, ал анасы көктемнің соңында немесе жаздың басында әдетте төрт немесе бес баладан тұратын туады. Алайда, егер бірінші туады сәтті болмаса, аналықтар екінші туады тууы мүмкін. Туған кезде әр баласы шамамен ұзын, түксіз және салмағы 1,5 грамм болады. Олардың көздері, құлақтары және жұлдызды мұрыны бітелген, туылғаннан кейін шамамен 14 күн өткен соң ғана ашылып, пайдалы болады. Олар шамамен 30 күннен кейін тәуелсіз болады және 10 айдан кейін толық жетіледі. Жыртқыштарға қызыл құйрықты бүркіт, үлкен мүйізді соқыр, үй соқыр, сыңғырлап тұрған соқыр, түлкілер, күзендер, микс, әртүрлі сканкстар мен мысықтәрізділер, сондай-ақ солтүстік шортан сияқты ірі балықтар, сондай-ақ үй мысықтары жатады.

Мұрынның көзге көрінетін мүшемен салыстыруы

Вандербильт университетінің нейробиологы Кеннет Катания 20 жыл бойы жұлдызды мұрынды тышқандарды зерттеді. Жақында ол зерттеулерін жұлдызды тышқандарды зерттеуге бұрып, адам миының сезімдік ақпаратты қалай өңдейтінін және бейнелейтінін түсінудің жалпы қағидаларын анықтауға бағыттады. Ол жұлдызды тышқандарды "ми мен мінез-құлық туралы жаңалықтар табудың алтын қоры" деп атады. Оның зерттеулері тышқанның мұрнын көру қабілетімен салыстырып, тышқан ықтимал тағамға тигенде, ең кішкентай сәулелерін, атап айтқанда, 11-ші жұп сәулелерін, нысанға қайталап, жылдам тигізу үшін орналастырып, күрт қозғалатынын көрсетті. Ол былай деді: "Көру қабілетімен ұқсастықтар таң қалдырды. Жұлдыздың қозғалысы көздің сакадтық қозғалысына ұқсады – көздің бір шоғыр нүктесінен екіншісіне жылдам қозғалысы – жылдамдығы мен уақыт бойынша. Екі 11-ші сәуле олардың өлшеміне қатысты бастапқы соматосенсорлық қабықта артық өкілдік етілген, дәл сол сияқты приматтардың кішкентай көру фовеясы – көздің ортасындағы ең анық көруді қамтамасыз ететін кішкентай аймақ – бастапқы көру қабығында артық өкілдік етілген". Ол сондай-ақ кейбір жартастардың да маңызды эхолокациялық жиіліктерді өңдеу үшін есту фовеясы бар екенін атап өтеді, бұл "эволюция жоғары дәлдікпен сезімтал жүйені құру үшін бірнеше рет бірдей шешімге келгенін көрсетеді: сезімтал бетті кең ауқымды стимулдарды сканерлеу үшін үлкен, төмен ажыратымды периферияға бөлу және маңызды нысандарға назар аударуға болатын кішкентай, жоғары ажыратымды аймаққа бөлу". Жұлдыз тәрізді мұрын – тек жұлдызды мұрынды тышқандарда ғана кездесетін ерекше орган. Қараңғыда өмір сүретіндіктен, жұлдызды мұрынды тышқан көру қабілетін пайдаланбастан, омыртқасыз жәндіктерін табу және анықтау үшін өзінің ерекше мұрынынан алынған механикалық ақпаратқа көп сенеді (тышқандардың көзі кішкентай, көру жүйкесі жұқа). Бұл орган жоғары сезімталдығымен және реакция жылдамдығымен танылады. Ол тек 8 миллисекундта бір нәрсенің жеуге жарамды екенін анықтай алады – шындығында, бұл жануарлар әлеміндегі стимулға ең жылдам жауаптардың бірі және жұлдызды мұрынды тышқанның жақында Гиннес рекордтар кітабына ең жылдам азық іздеуші ретінде енгізілуіне себеп болды.

Анатомия және физиология

Жұлдызша мұрын – 22 ет тәрізді, саусақ тәрізді ұзын тістерден құралған, өте мамандандырылған сезімтал-қимыл ағзасы. Жұлдыздың диаметрі 1 сантиметрге жуық, сондықтан ол әдеттегі адам саусағының ұшынан сәл кіші. Дегенмен, ол басқа түлкілердің мұрынынан әлдеқайда үлкен, әрбір тиісу арқылы басқа түлкілердің мұрынымен салыстырғанда көбірек аймақты қамтиды. Бұл құрылым жоғары ажыратымдылыққа ие орталық фовея аймағына (орталық 11-ші сәуле жұбы) және аз сезімтал шеткі аймақтарға бөлінеді. Осылайша, жұлдыз «тактильді көз» ретінде жұмыс істейді, онда шеткі сәулелер (әр жағында 1–10) айналадағы ортаны сақад тәрізді қозғалыстармен зерттейді және қызығушылық тудыратын нысандарға 11-ші сәулені бағыттайды, дәл приматтардың фовеалық көзі сияқты. Жұлдыздың анатомиялық орналасуына қарамастан, ол мұрынның дистальды (шығып тұрған немесе созылған) бөлігі болып табылады, бірақ ол иіс сезу ағзасы немесе қосымша қол емес. Ұзын тістерде бұлшықеттер мен сүйектер жоқ және олар заттарды манипуляциялауға немесе жемді ұстауға пайдаланылмайды. Олар күрделі бұлшықеттер тізбегі арқылы басқарылады, бұл бұлшықеттер шеке сүйегіне бекітілген және таза механикалық рөл атқаруға арналған. Осы мақсатта жұлдыздың ішінде 25 000-ға жуық диаметрі шамамен 0,5 миллиметр болатын кішкентай көтеріңкі дөңгелектер немесе папиллалармен толыққан ерекшеленген эпидермис бар. Алайда, Condylura-да олардан көптеп кездеспейді. Адамдарда бұл процеске 600 миллисекунд уақыт кетеді. Жұлдызша мұрынның түлкінің өмір салтындағы маңыздылығын мұрынның соматосенсорлық бейнелеуі көрсетеді. Электрофизиологиялық эксперименттер кезінде денеге орналастырылған электродтар ми қабығының шамамен 52% мұрынға арналған екенін көрсетті. Бұл мидың жартысынан асып, осы ағзадан алынған сезімдік ақпаратты өңдеуге арналғанын білдіреді, тіпті мұрын түлкінің жалпы көлемінің шамамен 10% ғана құрайды. Осылайша, мұрын көздің орнын басады, ал одан алынған ақпарат түлкінің мұрынының астындағы ортаның тактильді картасын жасау үшін өңделеді. Басқа сүтқоректілер сияқты, жұлдызша мұрынды түлкінің соматосенсорлық қабығы соматотопиялық принцип бойынша ұйымдастырылған, сондықтан мұрынның жақын орналасқан бөліктерінен келетін сезімдік ақпарат соматосенсорлық қабықтың жақын аймақтарында өңделеді. Сондықтан сәулелер де мида бейнеленеді. Ең төменгі, ең сезімтал сәуле жұбының (11-ші) соматосенсорлық қабықта үлкен бейнесі бар, тіпті бұл жұлдызша мұрынды түлкінің мұрынындағы ең қысқа ұзын тістер жұбы болса да. Жұлдыздың ми қабығындағы бейнелеудің тағы бір маңызды ерекшелігі – әр жарты шар қарама-қарсы жұлдызды бейнелейтін 11 жолаққа ие. Кейбір жағдайларда, дене құрылымдарының өзге бөліктерінен айырмашылығы, денедің әр жартысы мидың қарама-қарсы жарты шарларында бейнеленген, үшінші, кішірек жолақтар жиынтығы да байқалады.

Жиілік сезімталдығы

Мараско сипатталған рецепторлардың арасында қысымға салыстырмалы түрде жауап бермейтін, бірақ мұрынның бетінен өткен кез келген тітіркендіргішке (сүрткен немесе сырғанаған) тез жауап беретін рецепторлар бар екенін анықтады (үлкен орын ауыстырулармен және жоғары жылдамдықпен қолданылатын тітіркендіргіштер). Ал, басқа рецепторлар кез келген кішкентай қысымға күшті жауап берсе де, сырғанау тітіркендіргіштеріне жауап бермейді. Сыртқы әсерге сезімтал рецепторлар 85-тен 485 мкм-ге дейінгі үлкен орын ауыстыруларда 5–150 Гц жиілік диапазонында ең жоғары белсенділікке ие болды. Керісінше, қысымға жауап беретін рецепторлар 10–28 мкм орын ауыстыруда 250–300 Гц жиілігінде максималды белсенділіктің тар шыңына ие болды.

Бағытты сезімталдық

Жүйке аяқтарының дөңгелектей орналасуы және Эймер мүшелеріндегі иннервация үлгісіне сүйене отырып, Мараско карталық тәжірибелер арқылы жұлдызды мұрынды тышқанның рецепторларының басым бөлігінің қолданылатын тітіркендіргіштердің белгілі бір бағытына бейімділігін ұсынды. Тышқан зерттеу кезінде жұлдыз тәрізді қосымшасы қысқаша тиісулер жасайды, ол Эймер мүшесін нысандарға немесе субстратқа қысады. Жұлдыз тәрізді құрылым өзі химиялық рецептор болмаса да, жұлдызды мұрынды тышқанға секундына 8-ден 12-ге дейін шағын ауа көпіршіктерін, әрқайсысы 0,06-дан 0,1 мм-ге дейін, нысандарға немесе иіс іздеріне үрлеуге көмектеседі. Бұл көпіршіктер мұрын тесігіне сорылады, сондықтан ауа көпіршіктеріндегі иіс молекулалары иіс рецепторларымен байланысады. 1993 жылы Эдвин Гулд және әріптестері жұлдыз тәрізді тұмсықта электрорецепторлар бар екенін және тышқанның қосалқы мүшелерімен механикалық тексеруден бұрын олжасының электр өрісін сезуге қабілетті екенін болжады. Мінез-құлық тәжірибелері арқылы олар тышқандардың электр өрісі жоқ ұқсас орналасудан гөрі тірі құрттың электр өрісін имитациялаған жасанды құртты артық көретінін көрсетті. Осылайша, жұлдыздың тірекшелеріндегі жүйке аяқтарының шын мәнінде электрорецепторлар екені және тышқандар оларды электромагниттік өрістің күшін әртүрлі жерлерде өлшеу үшін үнемі қозғалтатыны анықталды. Бұл теорияның палеонтологиялық дәлелдері немесе салыстырмалы деректері болмаса да, қазіргі кездегі тышқандардың барлығының мұрынының айналасындағы эпидермисін құрайтын Эймер мүшесінің қабаттары бар. Сонымен қатар, Катания және әріптестерінің жақындағы зерттеулері Солтүстік Американың бір түрін (Scapanus townsendii) анықтады, оның тұмсығында қаудальды бағытта созылатын прото-қосымшалар жиынтығы бар, олар жұлдызды мұрынды тышқанның эмбрионалдық кезеңдеріне ерекше ұқсас, бірақ Scapanus townsendii-дің бетінде жұлдызды мұрынды тышқандағы 22 қосымшадан гөрі сегіз ғана бөлімше бар. Мұндай өзгеріс эволюцияда жиі кездеседі және әр модульді жасайтын реттеуші элементтерді қайта ойлап табу қажеттілігінсіз дене жоспарына модульдерді тиімді қосудың артықшылығымен түсіндіріледі. Осылайша, жұлдыз өзінің пішіні мен мөлшері бойынша ерекше болса да, оның құрылымы басқа тышқандардың кең ауқымында және басқа сүтқоректілердің молекулалық құрылымында кездесетін ұқсастықтарды қамтитын көне құрылымдық жоспарға негізделген болуы мүмкін. Бұл суретте жұлдызды мұрынды тышқан сүтқоректілер эволюциясының шегіндегі ең жоғары нүкте екені көрінеді, мүмкін сүтқоректілер арасындағы ең сезімтал механосезімдік жүйеге ие. Жұлдыз тәрізді мұрынға қатысты екі эволюциялық теория бар. Бірі жұлдызды мұрынды тышқанның батпақты мекендеу ортасының таңдау қысымының салдарынан жұлдыз құрылымының дамуын ұсынады. Батпақты жерлерде шағын жәндіктердің тығыз популяциясы бар, сондықтан бұл ресурсты пайдалану үшін басқа тышқандарға қарағанда жоғары ажыратымдылыққа ие сенсорлық бет қажет. Осылайша, батпақты ортаға көшу сенсорлық құрылымды таңдау артықшылығын қамтамасыз еткен болуы мүмкін. Сонымен қатар, көптеген түрлердің аң аулаған тышқандарында Эймер мүшелері тозу мен сыртқы әсерлердің айқын белгілерін көрсетеді. Топырақпен үнемі және қайталап байланысу иіспен кератинизацияланған эпидермиспен байланысты сенсорлық мүшелерге зақым келтіреді. Жұлдызды мұрынды тышқандар - батпақты жердің ылғалды, лайлы топырағында өмір сүретін жалғыз түр, онда абразивті ортаның аз болуы нәзік жұлдыз тәрізді құрылымның дамуына мүмкіндік берді. Екінші теория, олжаның тиімділігі туралы теория, жұлдызды мұрынды тышқанның азық іздеу жылдамдығын түсіндіреді. Тиімділік (яғни, алынған энергияны олжаны ұстау уақытына бөлгенде) оптималды диетаны бағалау үшін маңызды айнымалы болып табылады. Жабдықты өңдеу уақыты нөлге жақындағанда, тиімділік күрт өседі. Батпақты жерлерде орналасқан омыртқасыз жәндіктердің аз болуына байланысты жұлдызды мұрынды тышқан 120 мс-қа дейін қысқа уақытпен жұмыс істейді. Сондықтан ол азық іздеудегі жылдамдығымен әр азықтың азықтық құндылығы төмендігін тепе-теңдеп, азық табуға барынша көп уақыт береді. Сонымен қатар, жұлдыз тәрізді мұрынның ауызға жақын орналасуы тамақты жұту үшін қажетті уақытты қысқартады және жұлдызды мұрынды тышқанның азықтың қаншалықты жылдам табылып, желінетініне үлкен әсер етеді.

Инженерлік саладағы қазіргі заманғы қолданбалар

Жоғары мамандандырылған жүйелерді зерттеу көбінесе жалпылама жүйелерді жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. Кенеңнің көзге түсетін, жұлдыз тәрізді құрылымы оның "көп емес" туыстарының, адамды қоса алғанда, жалпы тенденциясын көрсетеді. Бүгінгі күні сүтқоректілердегі тактильді трансдукцияның молекулалық механизмдері туралы аз ғана мәлімет бар. Дрозофила шыбыны генетика үшін, немесе кальмардың алып аксоны нейробиология үшін маңызды болғандай, жұлдызды мұрынды кене тактильді трансдукция үшін үлгілік организм болуы мүмкін. Оның сақадай қозғалысты жүзеге асыратын жүйесін және оған байланысты трансдукцияны толық түсіну болашақта жаңа түрдегі нейропротездерді жасауға әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, кенеңнің көрсететін жоғары жылдамдығы мен дәлдігі, оның тамаша сенсорлық қабілетіне жауап ретінде, интеллектуалды машиналардың құрылымдық дизайнына түйсік беруі мүмкін.

Ыңғайлы азық табу теориясына байланысты мұрын

Оптималды азық іздеу теориясына сәйкес, организмдер бірлік уақыттағы таза энергия түлімін барынша арттыру үшін азық іздейді. Яғни, олар ең аз уақыт жұмсап, ең көп калориялы тағамды табу, ұстау және жеу үшін мінез-құлық танытады. Өте кішкентай жемтікті жеуге кеткен уақыт өте аз болғандықтан, жұлдызды мұрынды тышқандар баяу жануарлар үшін тиімсіз немесе күш-жігерге тұрмайтын тағамдарды жеуге болады, ал олар үшін жеке тағам санатының болуы үлкен артықшылық. Бұдан әрі, жұлдыздың 11-ші сәулесінің артында жұлдызды мұрынды тышқандардың алдыңғы тістері өзгерген, олар пинцет сияқты жұп тістерге эквивалент. Жоғары жылдамдықты бейнежазбалар осы ерекше тістердің жерден ұсақ жемтіктерді жұлып алу үшін қолданылатынын көрсетеді. Катанияның хабарлауынша, "Мінез-құлықтан да тістер мен жұлдыздың біртұтас жұмыс істейтіні анық көрінеді – тістердің алдында орналасқан 11-ші сәулелер, кішкентай жемтікті ұстау үшін тістер алға жылғанда жайылады. Осылайша, пинцеттей тістер мен жоғары сезімтал жұлдыз бірге дамыған болуы мүмкін, бұл кішкентай жемтікті жылдам табу және ұстау үшін жақсы құрал. Кішкентай жемтікті жылдам анықтап, жеу қабілеті жұлдыздың эволюциясын жетекке алған маңызды таңдау артықшылығы болды".