Исследование обоняния серых и гренландских тюленей с помощью метода оперантного обучения

Морские млекопитающие долгое время рассматривались как аносматики или микросматики [1; 2]. У китообразных обоняние почти утрачено; обонятельные доли мозга и обонятельные нервы отсутствуют полностью (зубатые киты) или имеются в зачаточном состоянии (усатые киты) [3]; также в их геноме утрачены или находятся в неактивном состоянии гены, отвечающие за обоняние [4].

Наблюдения за поведением ластоногих в естественных условиях позволяют сделать вывод, что обоняние, возможно, играет важную роль в их социальной коммуникации, репродуктивном поведении [5] и выборе пищи [6].

Обонятельное поведение и назо-назальные контакты южноафриканских морских котиков (Arctocephalus pusillus, Schreber, 1775), содержащихся в неволе, были описаны G. J. Ross [7]. Самки гренландского тюленя (Pagophilus groenlandicus, Erxleben, 1777) определяли своих щенков визуально, вокально и с помощью обоняния, но окончательное подтверждение наблюдалось только после обнюхивания щенков [8]. Кормлению почти всегда предшествововал назо-назальный контакт [8; 9], в течение первых двух дней после рождения самки обнюхивали щенков значительно чаще, чем во время остального периода грудного вскармливания [8]. Самки северного морского котика (Callorhinus ursinus, Linnaeus, 1758) также часто обнюхивают щенков после рождения и во время периода лактации и используют назо-назальный контакт как средство идентификации своих щенков [10]. Этот же контакт как заключительное признание самкой своего щенка был описан у южноамериканских морских котиков (Arctocephalus australis, Zimmermann, 1783) [11], кергеленских морских котиков (Arctocephalus gazella, Peters, 1875) [12], австралийских морских львов (^eophoca cinerea, Peron, 1816) [13] и сивучей (Eumetopias jubatus, Schreber, 1776) [14].

Важную роль обоняние играет и в репродуктивном поведении морских млекопитающих. Самцы новозеландских морских котиков (Arctocephalus forsteri, Lesson, 1828) обнюхивали самок в области головы и задней части тела в период размножения, по-видимому оценивая готовность самок к спариванию [15]. Обонятельное поведение сивучей различалось как между животными разного пола и возраста, так и в разные периоды их жизни (репродуктивный и пострепродуктивный) [16]. У самцов кольчатых нерп (Phoca hispida, Schreber, 1775) в период размножения усиливалась секреция сальных и апокринных желез, которые издавали сильный специфический аромат [17]. Возможно, он используется для маркировки территории и/или для привлечения самок [18].

Южноафриканские морские котики могли дифференцировать запах рыбы от аромата эфирных масел, а также различать виды рыб по запаху [6].

В научной литературе представлены экспериментальные исследования физиологии и поведения ушастых тюленей; работы по изучению настоящих тюленей представлены недостаточно и в основном посвящены рассмотрению результатов наблюдения за поведением животных. По этой причине нами было проведено исследование обоняния представителей двух видов настоящих тюленей с использованием метода оперантного обучения.

Материалы и методы

Эксперимент проводили в условиях аквакомплекса ММБИ на акватории Кольского залива; подопытные животные – две самки серого тюленя (Halichoerus grypus, Fabricius, 1791 ) в возрасте семи лет и две самки гренландского тюленя (Pagophilus groenlandicus, Erxleben, 1777) в возрасте двух лет. К началу экспериментальных работ все животные были здоровы и обучены по схеме "выбор из двух стимулов".

В качестве обонятельных стимулов использовались 10%-е растворы камфорного масла и диметилсульфида. Запах камфоры был выбран потому, что он, во-первых, согласно современной стереохимической теории обоняния относится к первичным запахам, а во-вторых, тюлени, обитающие в Арктике, не могли сталкиваться с данным запахом ранее, поэтому камфора являлась для них индифферентным раздражителем. Запах диметилсульфида, предположительно, имеет важное биологическое значение для ластоногих. Диметилсульфид образуется в ходе метаболического разложения диметилсульфониопропионата, выделяемого в воду фитопланктоном в период его цветения [19]. Установлено, что северная качурка (Oceanodroma leucorhoa, Vieillot, 1818) [20], странствующий альбатрос (Diomedea exulans, Linnaeus, 1758) [21] и голубой буревестник (Halobaena caerulea, Gmelin, 1789) [22] находят места кормления по запаху диметилсульфида. Пингвины резко увеличивают свою двигательную активность в местах распыления ДМС [23]. Возможно, что по наличию в воде ДМС находят места скопления планктона некоторые виды акул [24] и рифовых рыб [25]. Экспериментально выявлена высокая чувствительность обыкновенных тюленей (Phoca vitulina, Linnaeus, 1758) к диметилсульфиду и установлено, что она на порядки выше, чем у людей [26].

Эксперимент был разделен на три этапа. На первом этапе животных обучали дифференцировать контейнер с раствором камфоры от пустого контейнера; на втором – дифференцировать контейнер с раствором ДМС от пустого контейнера; на третьем – дифференцировать контейнер с ДМС от контейнера с раствором камфоры. Для проведения экспериментов стимульные вещества разводили в дистиллированной воде до такой концентрации, чтобы интенсивность запаха была минимальна, затем раствор помещали в контейнер.

Экспериментальная установка представляла собой две трубы, закрепленные на деревянном брусе (рис. 1). Трубы имели длину 30 см и диаметр 6 см, благодаря чему тюлени могли свободно просовывать в них переднюю часть головы и дышать. В каждой трубе было вырезано отверстие диаметром 8 см, в которое помещались контейнеры с тестовыми веществами. С противоположного конца трубы закреплен электрический вентилятор, который создавал ток воздуха в трубе, что позволяло минимизировать влияние таких факторов, как ветер и посторонние запахи.

Рис. 1. Экспериментальная установка Fig. 1. Experimental installation

Экспериментальную установку помещали в вольер на расстоянии 1 м от стартовой позиции животного. Тюленей обучали по команде засовывать переднюю часть головы в трубу и оставаться в таком положении до 10 с. Также животных приучали к звуку работающего вентилятора.

В контейнер помещали тестовое вещество (положительный стимул), в другой контейнер – дистиллированную воду (отрицательный стимул) и устанавливали их в трубы. На третьем этапе, когда изучалась способность исследуемых тюленей дифференцировать между собой растворы диметилсульфида и камфоры, в один контейнер помещали диметилсульфид (положительный стимул), в другой – камфору (отрицательный стимул). Взаиморасположение контейнеров меняли в случайном порядке, но не более двух одинаковых комбинаций подряд, чтобы избежать "ассоциации с местоположением" у исследуемых тюленей.

Тюлень занимал стартовую позицию и по команде должен был найти трубу с положительным стимулом и зафиксировать переднюю часть головы в нем на 10 с. Животному разрешалось обследовать обе трубы. В случае правильного выполнения следовало пищевое подкрепление в виде рыбы. Эксперименты проводились в утреннее (10:00) и вечернее (17:00) время.

С животными проводили обучающие тренировки, когда тренер подталкивал к правильному выбору; количество предъявлений за тренировку не лимитировалось; учитывался только результат последней тренировки, который должен быть выше вероятности случайного выбора. Готовность к проведению контрольных испытаний определял тренер тюленя. Обучающие тренировки проводили в осенне-зимний период при стабильной безветренной погоде без атмосферных осадков и полном отсутствии посторонних запахов.

В ходе контрольных испытаний проводилось по 20 тренировок с 20 демонстрациями пар стимулов на каждой; за верные выборы стимула тюлень получал фиксированное пищевое поощрение. Тренировки осуществлялись по возможности при полном штиле (или максимум при 2 баллах по шкале Бофорта) и отсутствии сильных посторонних запахов, атмосферных осадков и иных раздражителей. Перед началом тренировки с тюленем проводились тестовые испытания для определения уровня работоспособности, состоящие из команд на возбуждение и торможение ЦНС и команд по переходу из состояния возбуждения в состояние торможения и обратно. К тренировке приступали только при высоком уровне работоспособности животного. Эти условия соблюдались для того, чтобы минимизировать влияние внешних факторов среды и изменений состояния подопытного животного на количество верных выборов.

Результаты и обсуждение

На первом этапе обучение серого тюленя 1 заняло шесть тренировок (в результате наблюдалось 75 % верных выборов), серого тюленя 2 – три тренировки (80 %), гренландского тюленя 1 – семь тренировок (80 %), гренландского тюленя 2 – семь тренировок (75 % верных выборов).

При проведении контрольных испытаний все тюлени достоверно отличали контейнер с раствором камфоры от ложного контейнера (рис. 2), при этом серые тюлени в среднем совершали одну ошибку за тренировку, гренландские тюлени – две-три ошибки за тренировку.

□ Гренландский тюлень 1 □ Гренландский тюлень 2

Рис. 2. Доля верных выборов при дифференцировке контейнера с раствором камфоры от пустого контейнера

Fig. 2. The proportion of correct choices when differentiating a container with a solution of camphor from an empty container

На втором этапе серый тюлень 1 обучился отличать контейнер с раствором ДМС в ходе четвертой тренировки (75 % верных выборов), серый тюлень 2 – седьмой тренировки (75 %), гренландские тюлени обучились во время двенадцатой тренировки (80 % верных выборов) (рис. 3). При проведении контрольных испытаний все тюлени достоверно отличали контейнер с раствором ДМС от пустого контейнера. При этом серые тюлени в среднем совершали по две ошибки за тренировку, гренландские – по одной ошибке.

□ Гренландский тюлень 1 □ Гренландский тюлень 2

Рис. 3. Доля верных выборов при дифференцировке контейнера с раствором ДМС от пустого контейнера Fig. 3. The proportion of correct choices when differentiating a container with a solution of LCA from an empty container

На третьем этапе серые тюлени уже на первой тренировке достоверно отличали контейнер с раствором ДМС от контейнера с раствором камфоры, при этом запах ДМС тюлени выбирали с первого предъявления пары стимулов. У серого тюленя 1 результат составил 95 % верных выборов, у серого тюленя 2 – 90 %. Обучение гренландского тюленя 1 заняло 20 тренировок (75 % верных выборов); гренландского тюленя 2 – 21 тренировку (85 % верных выборов); при этом на первых тренировках, несмотря на отсутствие подкрепления, тюлени в большинстве случаев (более 70 % выборов) выбирали контейнер с раствором камфоры (рис. 4).

□ Гренландский тюлень 1 □ Гренландский тюлень 2

Рис. 4. Доля верных выборов при дифференцировке контейнера с раствором ДМС от контейнера с раствором камфоры Fig. 4. The proportion of correct choices when differentiating a container with a solution of LCA from a container with a solution of camphor

При проведении контрольных испытаний все тюлени достоверно отличали контейнер с раствором ДМС от контейнера с раствором камфоры, в среднем совершая две-три ошибки за тренировку.

Заключение

Результаты проведенных исследований демонстрируют возможности тюленей двух видов вырабатывать двигательный условный рефлекс на обонятельные раздражители, а также их способности отличать один запах от другого. В процессе дифференцировки контейнера с запахом серые тюлени обучались быстрее гренландских тюленей, при дифференцировке двух запахов гренландские тюлени обучались на порядок медленнее. Схожие динамики обучения данных видов и результаты контрольных испытаний отмечались и при проведении исследований, касающихся выработки условных рефлексов на раздражители других модальностей [27]. Данное отличие в скорости обучения, вероятно, связано с видовыми особенностями исследуемых тюленей и свидетельствует о более высокой пластичности нервной деятельности серых тюленей, обитающих в условиях побережья, где информационная среда более насыщена, в отличие от гренландских тюленей, которые значительную часть жизни проводят либо в открытых водах, совершая сезонные миграции, либо вблизи паковых льдов, где редко встречаются с большими наборами запахов.