Исследователи объяснили, почему самые разные животные, от светлячков до китов, передают сигналы в узком диапазоне частот от 0,5 до 4 герц. Компьютерное моделирование показало, что этот универсальный темп продиктован не строением голосовых аппаратов, а скоростью работы нервных клеток слушателя или зрителя.
Во время экспедиции в Таиланд ученые из США вели видеосъемку светлячков. В момент записи исследователи заметили, что местные сверчки поют синхронно с миганием светлячков. Они предположили, что это не случайность.
Чтобы проверить предположение, авторы работы, опубликованной в журнале PLoS Biology, проанализировали научные публикации и базу звуков дикой природы xeno-canto. Они отобрали ритмичные сигналы птиц, летучих мышей, амфибий, насекомых и млекопитающих. Данные показали, что виды, чьи массы различаются в сто миллионов раз между собой (как насекомые и киты), концентрируются в узком диапазоне общения — от 0,5 до 4 импульсов в секунду (герц). В неврологии этот диапазон соответствует низкочастотным дельта-ритмам мозга.
Исследователи выдвинули гипотезу о нейронном резонансе: мозг слушателя максимально эффективно усваивает те внешние сигналы, чья частота совпадает с его собственными внутренними ритмами.
Чтобы проверить свое предположение, авторы смоделировали математическую нейронную сеть. В модель заложили биофизический лимит: одиночной нервной клетке требуются сотни миллисекунд, чтобы накопить заряд и выдать новый импульс (время интеграции информации). Из-за этого ограничения собственная частота работы виртуального нейрона составила около 2 герц.
Физики перебрали более полутора тысяч вариантов архитектуры связей и подали на виртуальные нейронные цепи внешние сигналы разной частоты. То, насколько слаженно сеть входит в резонанс со стимулом, оценивали по параметру порядка (R). В модель также добавили гетерогенность — легкий разброс в характеристиках отдельных нейронов, имитирующий биологическое несовершенство живых клеток.
Симуляция показала, что виртуальная нейросеть максимально эффективно (то есть синхронно) реагирует на внешний стимул только в том случае, если его частота совпадает с базовой частотой самих нейронов (около 2 герц). То, как именно нейроны соединялись друг с другом (топология сети), практически не влияло на результат. При этом добавление в модель биологического хаоса улучшило работу системы: разнородность клеток позволила сети улавливать и резонировать даже с теми сигналами, которые слегка сбивались с идеального ритма.
Выявленный универсальный темп совпадает с музыкальными предпочтениями людей. Самый популярный ритм в поп-музыке составляет 120 ударов в минуту, что в точности равняется 2 герцам — идеальной частоте для резонанса нейронных цепей. Отклонения от этого правила встречаются преимущественно в жестовой коммуникации гигантских животных, где огромная масса физически не позволяет двигать конечностями несколько раз в секунду.
Эволюция коммуникации шла по пути адаптации отправителя к получателю. Животным не пришлось изобретать уникальные системы дешифровки для каждого вида. Естественный отбор откалибровал частоту передачи звуковых и световых сигналов под фундаментальные физические ограничения нервных клеток, задав единый ритм общения для всей биосферы.