動物はどのように匂いを追跡するのか

クレジット: ナレッジマガジン

動物が匂いを追跡するために使用する戦略は、動物の体型や匂いプルームの乱流の量など、多くの要因によって異なります。

渦巻く香りのプルームの発生源を見つけるのは簡単ではありません。 科学者たちは実験やシミュレーションを利用して、動物がとるさまざまな戦略を解明しています。

デイナ・マッケンジー著、2023/03/06

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ハリケーン・イアンがフロリダを襲ってから4日後の2022年10月2日、アレスという名の捜索救助用ロットワイラーがフォートマイヤーズの荒廃した街路を歩いていたとき、訓練してきたその瞬間が来た。 アレスさんは倒壊した家の中で匂いを嗅ぎ、ハンドラーを後ろから追いながら、慎重に瓦礫の中を進みながら２階へ駆け上がった。

天井が陥没し、自宅のバスルームに2日間閉じ込められていた男性が発見された。フロリダ州最悪のハリケーンの1つであるイアンでは約152人が死亡したが、その幸運な男性は匂いをその源までたどるアレスの能力のおかげで生き残った。 。

私たちは、犬が瓦礫の下に埋もれている人を見つけたり、蛾が匂いをたどって仲間を見つけたり、蚊が吐き出す二酸化炭素の匂いを嗅いだりする能力を当然のことだと思っています。 しかし、鼻で移動することは思っているよりも難しく、科学者たちは動物がどのようにそれを行うのかを研究中です。

「難しいのは、匂いは光や音とは異なり、直線的に伝わらないことです」と、2022年の年次報告書で動物が匂いの原因を見つける方法に関する調査の共著者であるハーバード大学の生物物理学者ゴータム・レディ氏は言う。凝縮物物理学の研究。 煙草の煙を見れば問題がわかります。 最初は上昇し、ほぼ直線的な経路を進みますが、すぐに振動し始め、最終的には乱流と呼ばれる過程で無秩序に転がり始めます。 動物はどのようにしてそのような複雑なルートをたどり、その起源に戻ることができたのでしょうか?

過去数十年にわたり、遺伝子組み換えから仮想現実、数学的モデルに至るまで、一連の新しいハイテク ツールにより、根本的に異なる方法で嗅覚ナビゲーションを探索できるようになりました。 動物が使用する戦略とその成功率は、動物の体型、認知能力、匂いプルームの乱流の量など、さまざまな要因に依存することが判明しています。 いつか、この理解の深まりは、行方不明者を探す犬、トリュフを探す豚、時には地雷を探すネズミなど、私たちが現在動物に頼っている仕事を遂行できるロボットの開発に科学者を助けるかもしれない。

匂いを追跡するという問題には、基本的な解決策があるように思えます。単に周囲の匂いを嗅ぎ、匂いが最も強い方向に向かうだけです。 ソースが見つかるまで続けます。

捜索救助犬は複雑な臭いの手がかりを頼りに、瓦礫の下に隠れた犠牲者を見つけます。 優れた匂いセンサーと探索戦略の組み合わせが、ロボット装置の能力をはるかに超える動物の能力の鍵となる可能性がある。

クレジット: ITOCK.COM / EGON69

勾配探索または走化性と呼ばれるこの戦略は、匂い分子がよく混合された霧の中に分布している場合、つまり拡散として知られるプロセスの最終段階である場合に非常にうまく機能します。 ただし、拡散は非常にゆっくりと起こるため、完全に混合するには時間がかかることがあります。 ほとんどの自然な状況では、臭気は狭くて輪郭がはっきりした流れ、またはプルームとして空気中を流れます。 このようなプルームとそれが伝える匂いは、拡散よりもはるかに速く伝わります。 ある意味、これは獲物を追跡するために何時間も待つ余裕がない捕食者にとっては朗報だ。 しかし、良いことばかりではありません。臭気プルームはほとんどの場合乱流であり、乱流により勾配による探索は非常に非効率になります。 どの時点でも、香りが最も急速に増加する方向が、発生源から離れた方向を指す可能性は十分にあります。

動物は他にもさまざまな戦略を講じることができます。 配偶者を探すガなどの飛行昆虫は、風走性、または気流に基づく反応の一種である「キャスト アンド サージ」戦略を採用します。 オスの蛾がメスのフェロモンを感知すると、風があると思ってすぐに風上に飛び始めます。 オスが匂いを失うと、特にメスから遠く離れたときにおそらく起こりますが、オスは風に乗って左右に「キャスト」し始めます。 再び羽を見つけると、再び風上に飛び（「サージ」）、メスを見つけるまでこの行動を繰り返します。

陸地に生息する一部の昆虫は、回帰性と呼ばれる戦略を使用することがあります。これは、ステレオで匂いを嗅ぐと考えることができます。つまり、2 つの触角で匂いの強さを比較し、最も強い信号を受信するアンテナの方を向くのです。 通常、昆虫の触角よりも体の大きさに比べて鼻孔の間隔が狭い哺乳類は、クリノタクシスと呼ばれる比較買い物戦略をよく使用します。つまり、頭を回して片側の匂いを嗅ぎ、頭を回して反対側の匂いを嗅ぎ、臭いの強い方向に体を向けます。 これには、最新の匂いを嗅いだ記憶を保持する必要があるため、わずかに高いレベルの認知が必要です。

臭気環境によって、臭気の原因を見つけるための最適な検索戦略が決まる場合があります。 臭気分子が発生源 (上部) から均一に拡散する場合、臭気分子は雲の中心にあるため、動物は臭気の最高濃度に向かうことができます。 匂いプルームが乱流している場合 (中央)、匂い物質の濃度が不均一であっても、動物が匂い源に十分近ければ、集中戦略は依然として機能します。 動物が発生源（下）から遠く離れている場合、臭気プルームは個別の「パケット」に分割されるため、動物は断続的にのみ匂いをキャッチします。 この場合、動物は匂いを失うたびに周囲を探索する、より複雑な探索戦略を必要とします。

匂いを感知するロボットには、自然界では思いつかない別の戦略があるかもしれません。 2007 年、パリの高等師範学校の物理学者マッシモ ベルガッソラは、嗅覚が情報時代と出会うインフォタキシスと呼ばれる戦略を提案しました。 他の戦略のほとんどは純粋に反応的ですが、インフォタクシーでは、ナビゲーターは、以前に収集した情報を考慮して、発生源がどこにいる可能性が最も高いかについてのメンタルモデルを作成します。 そして、匂いの発生源に関する情報を最大化する方向に進みます。

ロボットは、発生源の最も可能性の高い方向に向かって (以前の知識を利用する)、または情報が最も少ない方向に向かって (より多くの情報を探索して) 移動します。 その目標は、期待される情報の獲得を最大化する活用と探索の組み合わせを見つけることです。 初期段階では、探索の方が優れています。 ナビゲーターがソースに近づくほど、悪用する方が賢明です。 シミュレーションでは、この戦略を使用するナビゲーターは、蛾が飛び跳ねる軌道によく似た経路を移動します。

Vergassola の最初のバージョンでは、ナビゲーターは周囲の心の地図を作成し、シャノン エントロピーと呼ばれる数学的量を計算する必要があります。シャノン エントロピーは、ナビゲーターが探索していない方向では高く、探索した方向では低くなります。 これにはおそらく動物にはない認知能力が必要となるだろう。 しかし、ベルガッソラ氏らは、計算量の少ない新しいバージョンのインフォタクシーを開発した。 たとえば、動物は「近道を選択することができ、おそらく解決策を 20% 以内に近づけることができます。これはかなり良いことです」と、Annual Reviews 記事の共著者である Vergassola 氏は述べています。

インフォタクシー、クリノタクシー、トロポタクシー、アネモタクシー…どのタクシーが最初に目的地に到着しますか? それを理解する 1 つの方法は、動物の行動の定性的な観察を超えて、仮想の生き物をプログラムすることです。 研究者は、空中と水中のさまざまな状況下でのさまざまな戦略の成功率を把握できます。 「私たちははるかに多くのものを操作できるのです」とピッツバーグ大学の数学者で、コロラド大学ボルダー校の流体力学学者ジョン・クリマルディが組織した72人からなる研究グループOdor2Actionのメンバーでもあるバード・アーメントラウト氏は言う。 たとえば、研究者はハエの戦略が水中でどの程度うまく機能するかをテストしたり、流体の乱流を強めて特定の探索戦略がいつ失敗し始めるかを確認したりできます。

乱流により、香りのプルームを追跡するのが困難になります。 ここでは、緑と赤の 2 つの染料が乱流水流に注入されています (下)。 乱流は流れを断片に分割します。 画像の上部から始めて、そのソースまで色を追跡しようとしているところを想像してください。

クレジット: M. KREE 他 / 流体の物理学 2013

これまでのシミュレーションでは、乱気流が低い場合、ステレオ嗅覚と比較ショッピングの両方がほとんどの場合に機能することが示されています。ただし、予想どおり、前者はセンサーの間隔が広い動物（昆虫を想像してください）に効果的であり、後者はセンサーの間隔が広い動物に効果的です。狭い間隔で配置されたセンサー (哺乳類を思い浮かべてください)。 ただし、乱流が大きい場合、シミュレートされた動物はどちらのアプローチでもうまく機能しません。 しかし、本物のマウスは乱流のプルームにほとんど動揺していないようであることが実験室の実験で示されています。 これは、マウスがまだ私たちの知らないトリックを持っている可能性があること、または私たちのクリノタクシスの説明が単純すぎることを示唆しています。

さらに、シミュレーションでは動物が何をするかを知ることができますが、必ずしもそれが何をするかを示すわけではありません。 そして、私たちは動物に「あなたの戦略は何ですか?」と尋ねる方法をまだ持っていません。 しかし、ショウジョウバエを使ったハイテク実験は、ドリトル先生のような夢にどんどん近づいています。

ショウジョウバエは、多くの点で匂い研究にとって理想的な生物です。 彼らの嗅覚系は単純で、受容体はわずか約 50 種類（ヒトでは約 400、マウスでは 1,000 以上）しかありません。 彼らの脳も比較的単純で、中枢脳のニューロン間の接続がマッピングされています。ショウジョウバエのコネクトーム（中枢脳の一種の配線図）は 2020 年に発表されました。「どんなニューロンでも調べることができ、誰がニューロンなのかを知ることができます」それはつながっているのです」と、ニューヨーク大学の神経科学者であり、Odor2Action チームのメンバーの一人であるキャサリン・ネーゲルは言います。 以前は、脳はブラックボックスでした。 今では、ネーゲルのような研究者は関連性を調べるだけで済みます。

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ハエに関する謎の 1 つは、ハエがガとは異なるバージョンの「サージ アンド キャスト」戦略を使用しているように見えることです。 「ハエは臭気プルームに遭遇すると、通常、プルームの中心線に向かうことに気づきました」とイェール大学の生物物理学者ティエリー・エモネ氏は言う。 中心線を見つけたら、発生源は直接風上にある可能性が最も高くなります。 「[私たちは]、ハエは一体どうやって噴煙の中心がどこにあるのかを知っているのかと尋ねました。」

エモネットと彼の共同研究者デイモン・クラーク（研究室が隣にある物理学者）は、仮想現実と遺伝子組み換えハエを巧みに組み合わせてこの質問に答えた。 2000年代初頭、研究者らは光に反応する嗅覚ニューロンを備えた突然変異体のハエを開発した。 「これはアンテナを原始的な目に変えるので、視覚を研究するのと同じように嗅覚を研究できるようになります」とクラーク氏は言います。

これにより、匂い研究における最大の問題の 1 つが解決されました。通常、動物が反応している匂いプルームは見えません。 見るだけでなく、好きな匂いの風景をムービーで投影できるようになりました。 遺伝子組み換えされたハエは、この仮想現実を匂いとして認識し、それに応じて反応します。 別の突然変異によりハエは盲目になり、実際の視覚が視覚的な「匂い」を妨げないようになった。

クラーク氏とエモネット氏は実験で、これらの遺伝子組み換えハエを、動きを二次元に限定する容器の中に入れた。 ハエが競技場に慣れた後、研究者らは動く縞模様からなる視覚的な匂いの風景をハエに提示した。 ハエは常に、向かってくる縞模様に向かって歩いていることがわかりました。

次に、クラークとエモネットは、本物の噴煙からコピーされた乱流のねじれや渦を含む、より現実的な匂いの風景を提示しました。 ハエは噴煙の中心までうまく移動することができました。 最後に、研究者らは、まったく同じプルームの時間を反転したムービーを投影しました。その結果、仮想プルーム内の臭気の平均的な動きは、遠ざかるのではなく、中心に向かうことになりました。この実験は、本物の匂いプルームではおそらく実行できませんでした。 。 ハエはこの奇妙な世界の噴煙に混乱し、中心に向かうのではなく中心から遠ざかりました。

このビデオは、ハ​​エが匂いの移動を嗅ぎ分けてどのように移動するかを示しています。 ビデオの最初の部分では、匂いが直接自分に向かって来るように方向転換するようにプログラムされたハエのコンピューター シミュレーションが示されています。 時間の経過とともに、たとえ乱流の香りのプルームの中でもハエが発生源に向かって移動するようになります。 25 秒以降、ビデオには、容器の床に投影されたビデオの「匂い」プルームに続いて、匂いを感知する細胞が光に反応するように遺伝子組み換えされた実際のハエが表示されます。 ハエは、シミュレートされたハエとほぼ同じように反応します。

クレジット: イェールキャンパス

クラーク氏とエモネット氏は、エモネットが匂い分子の個別の塊と呼ぶように、ハエは匂いパケットの動きを感知するに違いないと結論付けた。 少し考えてみてください。近所のバーベキューの匂いを嗅いだとき、鼻を通る煙の粒子が左から右に飛んでいるのか、それとも右から左に飛んでいるのかわかりますか? それは明らかではありません。 しかし、ハエにはそれがわかります。そして嗅覚の研究者たちはこれまでこの可能性を見落としてきました。

匂い分子の動きを感知することは、ハエが噴煙の中心を見つけるのにどのように役立つのでしょうか? 重要な点は、いつでも、プルームの中心に向かうよりも、中心から離れる方向に移動する匂い分子の方が多いということです。 Emonet が説明するように、「中心線内のパケット数は、中心線から離れたところよりも多くなります。そのため、中心線からは大量のパケットが遠ざかり、外側からはそれほど多くのパケットが流入しません。各パケットは、個別に同じ確率で、どの方向にも動いていますが、全体的には中心から離れた分散が見られます。」

実際、ハエは入ってくる感覚情報を非常に洗練された方法で処理しています。 風が強い環境では、ハエが移動する方向は、実際には、空気の流れの方向と匂いの束が移動する平均的な方向という 2 つの異なる方向の組み合わせになります。 ネーゲル博士は、ハエ コネクトームを使用することで、この処理が行われる必要がある脳内の場所の 1 つを特定しました。 ハエの風を感知するニューロンは、説明的に「扇形の体」と呼ばれる脳内の特定の場所で、嗅覚の方向を感知するニューロンと交差しています。 2 組のニューロンが連携して、ハエにどちらの方向に移動するかを伝えます。

言い換えれば、ハエは感覚入力に反応するだけでなく、それらを組み合わせているのです。 方向の各セットは数学者がベクトルと呼ぶものであるため、その組み合わせはベクトルの合計になります。 ネーゲル氏によれば、ハエが文字通りベクトルを加えている可能性があるという。 もしそうなら、彼らのニューロンは、人間の大学生がベクトル微積分で行う方法を学ぶような計算を実行していることになります。

ハエは、ほとんどの匂い分子がどの方向に移動しているかを監視することによって、匂いプルームの中心がどこにあるかを知ることができます。これは、より多くの分子がプルームの中心に向かうよりも、プルームの中心から離れるように移動するためです。 扇形体と呼ばれるハエの脳の一部は、この匂い情報 (接線ニューロンと呼ばれる神経細胞のグループによって伝えられる) と風向きに関する情報 (柱状ニューロンと呼ばれるさまざまなニューロンによってコード化される) を組み合わせて、匂いの場所を決定します。ソース。

ネーゲル教授は次に、甲殻類の脳で同様の神経構造を探す予定だ。 「匂いはまったく異なり、動きも異なりますが、この中心部の複雑な領域は保存されています」と彼女は言います。 「彼らは基本的にハエと同じことをしているのでしょうか？」

コネクトームと仮想現実の実験により驚くべき洞察が得られていますが、まだ多くの疑問が残されています。 アレスのような犬は、地面と空気の一部の匂いをどのように追跡するのでしょうか? 彼らは地面の匂いを嗅ぐことと空気の匂いを嗅ぐことの間にどのように時間を配分しているのでしょうか？ さらに言えば、「スニッフィング」はどのように機能するのでしょうか? 多くの動物は、ただ受動的に空気の流れを受け取るのではなく、積極的に空気の流れを乱します。 たとえば、マウスはひげで「泡立て」ます。 彼らはこの情報をどのように利用するのでしょうか?

そして、匂いパケットの動きを感知するハエの能力に似た、動物が持つ人間以外の能力には他にどのようなものがあるでしょうか? これらやその他多くの謎により、生物学者、物理学者、数学者は長い間答えを探し続けることになるでしょう。

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ダナ・マッケンジーは、悪党からサイエンスライターになった数学者です。 彼は、日常生活の中で数学が思いがけない形で現れることについて学ぶのが好きです。

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匂いの発生源を特定するための動物（そして場合によってはロボット）の戦略は、乱流の匂いプルームの迷路のような構造を考慮する必要があり、それがしばしば間違った方向に導く可能性があります。

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