В студенческие годы меня посетила мысль: что если бы и у человека был столь же развитый нюх, как у собак? Почему бы это не могло быть реализовано? Как я тогда смеялся над собой вместе с друзьями-однокурсниками, увлеченными охотой!
«Слушайте, — делились они, — вот идет Андрей по полю, и внезапно остановился, а затем двинулся вперед, используя специальные приспособления для тяги»! Похоже, что матушка-природа наделила одних своих детей проницательностью, в то время как другим пришлось обойтись без нее.
Но все же почему? В чем причина этого явления и какие факторы влияют на него? Этот вопрос занимал умы не только людей, занимающихся охотой, но и ученых различных специальностей, стремящихся найти объяснение. Недавно мне стало известно об исследовании, которое было опубликовано в 2010 году группой специалистов из нескольких университетов и разных областей науки, расположенных в штате Пенсильвания. На мой взгляд, именно они приблизились к разгадке этой загадки больше других.
Известно, что в носовой полости собаки находится огромное количество сенсорных нейронов – сотни миллионов. Они располагаются в обонятельном эпителии, выстилающем извилистые носовые раковины в задней части носа.
Традиционно считается, что острота собачьего обоняния обусловлена большим размером сенсорного органа у собак и наличием множества генов, отвечающих за выработку рецепторов. Однако такие объяснения не принимают во внимание гидродинамику, то есть особенности перемещения воздуха и запахов внутри носовой полости. Именно доставка ароматических веществ к чувствительной зоне является первостепенным и критически важным этапом процесса обоняния.
Согласно компьютерному моделированию движения воздуха, проведенного на основе трехмерной анатомически достоверной модели носовой полости собаки, созданной с использованием данных высокоточного МРТ, при обнюхивании каждая ноздря получает различные по пространственному расположению фрагменты запаха. Это позволяет собаке сравнивать интенсивность стимулов с обеих сторон и точнее определять источник запаха. В итоге внутри носа формируется специфический режим воздушного потока, специально предназначенный для транспортировки пахучих веществ к обонятельной зоне.
Кроме того, на общую динамику воздушного потока влияет носовый цикл. В живых организмах размеры дыхательных путей периодически изменяются из-за набухания и уменьшения носовых раковин. При этом изменения в основном затрагивают дыхательную часть носа. Там, под дыхательным эпителием, в собственной пластинке находится разветвленная сеть сосудов, способная существенно сужать или расширять дыхательные пути. В отличие от этого, под обонятельным эпителием собственная пластинка не содержит развитой сосудистой сети, и толщина обонятельной слизистой практически остается неизменной в течение носового цикла.
Функциональный носовой цикл периодически изменяет сопротивление воздухообмена в носу посредством автономной нервной регуляции сосудистой системы дыхательных путей. Это может приводить к уменьшению или увеличению объема воздуха, проходящего через определенную носовую полость во время вдоха, что влияет на скорость потока и долю вдыхаемого воздуха, достигающего обонятельной области через верхний носовой проход.
Анатомия носа у собак существенно отличается от человеческой. Вероятно, эффективность обоняния и его острота у млекопитающих напрямую связаны с тем, как пахучие вещества транспортируются воздушным потоком. Этот процесс может зависеть от наличия выраженной «обонятельной впадины» у некоторых животных и ее отсутствия или иной локализации у людей и приматов.
Обонятельные возможности собаки, позволяющие ей обнаруживать концентрации веществ порядка одной-двух частей на триллион, превышают аналогичные показатели человека приблизительно в 10 000–100 000 раз. На такую существенную разницу влияют такие параметры, как размер обонятельного органа, плотность нейронов и количество функционирующих генов-рецепторов. Однако этих факторов недостаточно для объяснения различий; важную роль играет также анатомическое устройство носовой полости, которое определяет доставку запахов к рецепторам на поверхности обонятельного эпителия.
В конечном счете, строение носовой полости является ключевым индикатором остроты обоняния. У большинства животных, обладающих развитым обонянием, наблюдается схожая архитектура носа, которая отсутствует у видов со сниженной обонятельной чувствительностью. В частности, у крупных животных, таких как собаки, значительная площадь обонятельной слизистой оболочки
расположена в так называемой обонятельной впадине – заднем отделе носовой полости, который отделен от основного канала дыхания костной перегородкой.
Максимально развитая обонятельная борозда характерна для собак, тогда как у приматов, включая человека, она отсутствует. У людей обонятельная слизистая оболочка обычно располагается в верхней части носовой полости, вблизи свода основного носового прохода.
Процессы, связанные с восприятием запахов, включают два этапа: активное поглощение ароматов и перемещение воздуха внутри носа, что определяет дальнейшую судьбу пахучих веществ. Эффективность обнаружения зависит от организации воздушного потока и того, достигнет ли насыщенный запахами воздух обонятельной зоны.
Носовые дыхательные пути у собак имеют сложную структуру, что позволяет предположить значительную оптимизацию описанных гидродинамических процессов. Измеренные параметры реакции (частота и скорость воздушных потоков) демонстрируют, что обнюхивание существенно отличается от обычного дыхания: оно происходит с большей частотой и сопровождается более высокими скоростями движения воздуха.
В типичном режиме обнюхивание представляет собой чередование вдохов и выдохов, близкое к синусоидальной кривой, повторяющейся в течение серии обнюхиваний. Продолжительность одного такого цикла может варьироваться от долей секунды до нескольких секунд.
При обнюхивании поверхности, например земли, собака формирует струйный выдох таким образом, чтобы нарушать и смешивать окружающие запахи. Это позволяет повторно затягивать эти вещества при последующих вдохах, снижая концентрацию запаха непосредственно у носа. Кроме того, воздушный поток, проходя через дыхательные пути, может удалять следы ароматов, оставшиеся на поверхности.
В структуре выдыхаемого воздуха можно наблюдать два крупных вихря, закрученных в одном направлении. Они создают эффект «притягивания» боковых запахов к носу для последующего анализа. Благодаря этим особенностям выдоха значительно увеличивается эффективный радиус действия обоняния: собака способна улавливать ароматы, которые при ином режиме потока остались бы недоступными.
Результаты вычислительного моделирования демонстрируют, что, несмотря на одновременное присутствие дыхательного и обонятельного потоков во время обнюхивания, это принципиально различные процессы с индивидуальными маршрутами через носовую полость. Во время вдоха один путь (дорсальный носовой проход) направляет воздух, насыщенный ароматическими веществами, к обонятельной зоне, а основной воздушный поток выходит из носовой полости через дыхательные пути в сторону носоглотки.
В состоянии расслабленной, нерасширенной ноздри разделение между обонятельным и дыхательным потоками организовано таким образом, что примерно 12–13 % поступающего воздуха достигает чувствительной области. Попадая в носовую полость, инспираторный поток сначала интенсивно перемешивается в носовом преддверии благодаря турбулентности, а затем разделяется на обонятельный и дыхательный компоненты, обеспечивая доставку репрезентативной «пробы» запаха в дорсальный носовой ход.
Высокоскоростной воздушный поток, направляющийся в дорсальный носовой ход, быстро транспортирует ароматические соединения к задней части обонятельной впадины. Там траектория потока меняется на 180 градусов, после чего он медленно продвигается вперед, проходя через сложную сеть дыхательных каналов, расположенных в области обоняния. Небольшие размеры и извилистость этих каналов способствуют ламинарному движению воздуха и увеличивают площадь поверхности (около 200 см²), где происходит оседание ароматических веществ. В конечном итоге обонятельный поток либо покидает носовую полость через носоглотку, либо продолжает движение в самые дорсальные отростки решетчатых раковин, сохраняясь там до завершения вдоха.
В процессе выдоха особенности строения носовой полости препятствуют попаданию значительного объема воздуха в обонятельную область и его последующему выходу из нее. В этот период воздух в обонятельной зоне практически не перемещается. Выдыхаемый поток проходит через дыхательные пути и выходит из носовой полости через ноздри, минуя обонятельную полость. Такая организация потока воздуха (однонаправленный ламинарный поток во время вдоха и почти полное отсутствие движения во время выдоха) оптимальна для «хроматографического» разделения ароматических веществ и обеспечивает дополнительное время для более эффективного поглощения молекул запаха.
Анатомическое устройство носовой полости у собак способствует эффективной транспортировке ароматических соединений внутри носа. Это, в числе прочих факторов, объясняет развитое обоняние у собак и других животных с аналогичным строением. Важную роль играет расположение и форма сенсорной зоны, поскольку они оказывают существенное влияние на гидродинамику обоняния у собак. Именно благодаря этому во время обнюхивания формируется уникальный рисунок воздушного потока, который оптимизирован для доставки ароматических веществ к сенсорной зоне.
Обоняние расположено в задней части носовой полости, отдельно от основного пути дыхания – это ключевой фактор. Благодаря такой организации во время вдоха создается однонаправленный поток воздуха в этой области, а во время выдоха наступает период затишья. Модели переноса и осаждения показывают, что подобный циклический рисунок потока создает уникальные пространственно-временные схемы оседание ароматических веществ вдоль обонятельного эпителия для различных химических компонентов. Данные особенности могут повышать способность собаки различать запахи.
Очевидно, что способность собаки улавливать запахи обусловлена не исключительно величиной обонятельного эпителия или числом рецепторов, но также и особенностями строения дыхательных путей в носу, а также механизмом доставки ароматических молекул внутри него.
