Cercetare privind influența vântului asupra abilității animalelor de a identifica mirosurile
Oamenii se bazează pe câini pentru a găsi persoane dispărute și pe albine pentru polenizarea culturilor. Totuși, oamenii de știință nu înțeleg pe deplin cum aceste animale folosesc simțul olfactiv excepțional pentru a localiza sursa unui miros.
O cercetare recentă realizată de Universitatea din Colorado Boulder evidențiază faptul că vântul joacă un rol semnificativ în acest proces. Pe măsură ce un miros se răspândește, aerul turbulent modifică ritmul în care animalele percep mirosurile, creând tipare care le pot fi utile în navigarea către sursa acestora.
Aceste descoperiri fac parte din rețeaua internațională de cercetare Odor2Action, care reunește o echipă interdisciplinară de oameni de știință din 16 instituții, având ca obiectiv principal înțelegerea modului în care animalele folosesc mirosurile pentru a-și ghida comportamentele naturale.
Prin înțelegerea modului în care aerul și vântul transformă semnalele olfactive, cercetătorii speră să descifreze comportamentele de navigație ale animalelor și, eventual, să le imite în aplicații precum căutarea și salvarea sau localizarea scurgerilor chimice periculoase.
Elle Stark, cercetător post-doctorat în cadrul Departamentului de Inginerie Civilă, Mediu și Arhitectură și autor principal al studiului, subliniază relevanța acestui subiect. Publicată pe coperta revistei PRX Life, cercetarea îmbină fizica cu neuroștiința printr-o colaborare între inginerii de la CU Boulder și Jonathan Victor, neuroștiințific la Weill Cornell Medicine.
Echipa a categorisit semnalele olfactive în funcție de frecvențele pe care le conțin. Stark explică faptul că, similar modului în care oamenii pot identifica melodii prin recunoașterea frecvențelor specifice, conținutul de frecvență al unui semnal olfactiv poate ajuta animalele să găsească sursa acestuia.
Studiul a identificat trei moduri fundamentale prin care turbulența transformă semnalele olfactive pe măsură ce aerul transportă un miros de la sursă. Turbulența filtrează unele frecvențe, dispersează altele și generează frecvențe noi.
Imaginați-vă, de exemplu, un puf de miros puternic care provine de la o floare de bergamot. Pe măsură ce mirosul părăsește floarea pentru a atrage un polenizator, Stark explică faptul că eddies turbulente întind acest puf în filamente care se îndoaie, se dispersează, se rotesc și se amestecă.
Când puful ajunge în cele din urmă la o albină, semnalul olfactiv devine complex și dinamic. „Ar putea exista o explozie de miros, o scurtă inhalare, apoi aer gol pentru o vreme, iar animalele somehow reușesc să facă sens din toate acestea, pentru a se putea orienta spre sursă”, afirmă Stark.
Oamenii de știință numesc acest proces „navigație olfactivă”, iar animalele au evoluat pentru a deveni mai bune în acest proces de-a lungul milioanelor de ani. Echipa de cercetare ipotezează că animalele profită de schimbările sistematice în frecvență care apar între momentul în care un miros părăsește o floare și ajunge la nas.
„Aceste transformări sunt probabil ingrediente importante în modul în care animalele interpretează semnalele olfactive pentru a determina distanța și direcția către sursa de miros”, spune John Crimaldi, profesor de inginerie civilă, mediu și arhitectură, coautor al studiului și investigator principal al rețelei Odor2Action.
Semnalele olfactive sunt invizibile, ceea ce le face greu de vizualizat și de studiat. Dar ce s-ar întâmpla dacă am putea să le vedem?
Grupul lui Crimaldi folosește atât simulări pe calculator, cât și experimente de laborator pentru a face acest lucru. Prin aplicarea unor tehnici avansate în mecanica fluidelor experimentale – ramura fizicii care studiază mișcarea lichidelor și gazelor – aceștia au măsurat detaliile complexe despre cum se mișcă aerul și mirosul împreună în cadrul unui puf.
În alte lucrări, echipa a generat pufuri de miros în tuneluri de vânt, apoi a iluminat aceste pufuri cu lasere pentru a le face vizibile. Când vizionați un videoclip al acestora, pare a fi o coloană de fum care se învârte prin aer după ce un fitil de lumânare a fost stins.
Această tehnică le permite nu doar să vizualizeze fluxul și evoluția mirosului, ci și să convertească imaginile în seturi de date cantitative care ajută la elucidarea dinamicii complexe din aceste pufuri.
Stark și Crimaldi afirmă că înțelegerea modului în care turbulența transformă semnalele olfactive reprezintă doar un prim pas în procesul senzorial. „Animalele participă la ceea ce numim percepție activă, care implică mișcarea prin puf, mișcarea antenelor, mirosirea sau alte comportamente care modifică semnalul olfactiv”, explică Stark.
Semnalul este apoi modificat din nou în timpul procesării neuronale. „Cercetările viitoare pot analiza cum fiecare etapă servește la transformarea semnalului olfactiv și apoi putem înțelege cum animalele le folosesc pentru a naviga”, adaugă aceasta.
Prin înțelegerea fiecărei etape a acestui proces, cercetătorii speră să dezvolte, în cele din urmă, sisteme artificiale capabile să facă mai mult decât să detecteze simple mirosuri. Nasurile electronice de astăzi pot determina prezența unei substanțe chimice, dar, în general, nu pot stabili de unde provine aceasta.
„Cercetarea noastră sugerează că, până când un miros ajunge la un animal, fluxul de aer a transformat deja semnalul”, afirmă Crimaldi. „Următoarea provocare este să înțelegem cum sistemul nervos profită de aceste informații transformate.”
