Има въпроси, на които сме си задавали или сме се опитвали да отговорим: защо небето е синьо, колко звезди има на небосвода, кой е по-силен — бялата акула или косатката и т.н. А има и въпроси, на които не сме си задавали, но отговорът им не става по-малко интересен. Към тези въпроси можем да отнесем следния — какво толкова важно решиха да изследват учените от университетите в Лунд (Швеция), Витватерсранд (Южна Африка), Стокхолм (Швеция) и Вюрцбург (Германия) заедно? Вероятно става дума за нещо много важно, много сложно и невероятно полезно. Ами, по този въпрос е трудно да се каже със сигурност, но определено е много занимателно, а именно — как се ориентират в пространството навозните бръмбари. На пръв поглед тук всичко изглежда тривиално, но нашият свят е изпълнен с неща, които не са толкова прости, колкото изглеждат, и навозните бръмбари са потвърждение за това. И така, какво е уникално в навигационната система на навозния бръмбар, как учените я провериха и каква е връзката с конкуренцията? На тези и други въпроси ще намерим отговори в доклада на изследователската група. Вперед!
Главен герой
На първо място, трябва да се запознаем с главния герой на това изследване. Той е силен, трудолюбив, упорит, красив и грижовен. Той е навозен бръмбар от надсемейство скарабеи.
Навозните бръмбари получиха не особено привлекателното име заради гастрономическите си предпочитания. От една страна, това е малко мерзко, но за навозния бръмбар това е отличен източник на хранителни вещества, така че повечето видове от това семейство не се нуждаят от други източници на храна и дори вода. Единственото изключение е видът Deltochilum valgum, представители на който обичат да хапват стоножки.
Разпространението на навозните бръмбари може да предизвика завист у повечето други живи същества, тъй като те обитават всички континенти, освен Антарктида. Ареалът им варира от прохладни гори до горещи desertи. Очевидно е, че голяма група навозни бръмбари най-лесно може да се срещне на места, където обитават животни, които са "фабрики" за производство на тяхната храна. Навозните бръмбари предпочитат да събират храна за бъдещето.
Кратко видео за навозните бръмбари и трудностите в начина им на живот (BBC, Дейвид Атенборо).
Различните видове бръмбари имат свои поведенчески адаптационни особености. Някои формират топчета от тор, които търкулват от мястото на събиране и зазиждат в дупка. Други копаят тунели под земята, запълвайки ги с храна. А трети, знаещи поговорката за Магомет и планината, просто живеят в купчини тор.
Запасите от храна са важни за бръмбара, но не толкова по причини, свързани със самоопазването, колкото по причини, свързани с грижата за бъдещото потомство. Работата е там, че ларвите на торните бръмбари живеят в това, което родителят им е събрал преди. И колкото повече тор, т.е. храна за ларвите, толкова по-голяма е вероятността те да оцелеят.
Натъкнах се на такава формулировка в процеса на събиране на информация и звучи не особено добре, особено последната част:…Мъжките се борят за женските, опирайки се с крака в стените на тунела и блъскайки противника с роговидни израстъци… Някои мъжки нямат рога и затова не влизат в сблъсъка, но притежават по-големи полови жлези и дебнат женската в съседния тунел…
Добре, да преминем от поезия към самото проучване.
Както вече споменах, някои видове торни бръмбари формират топчета и ги търкулват в права линия, без да се съобразяват с качеството и сложността на избрания маршрут, до дупката за съхранение. Именно с такова поведение на тези бръмбари сме най-добре запознати благодарение на многобройните документални филми. Също така знаем, че освен силата (някои видове могат да вдигнат тегло, което е 1000 пъти по-високо от собственото им), гастрономическите предпочитания и грижите за потомството, торните бръмбари отлично се ориентират в пространството. Освен това, те са единствените насекоми, които могат да се ориентират през нощта по звездите.
В Южна Африка (мястото на наблюденията) бръмбарът, намерил "добыча", формира топче и започва да го търкулва в права линия в произволна посока, най-вече далеч от конкуренти, които не биха се поколебали да отнемат храна, събрана от него. Следователно, за да е успешен бягът, е необходимо да се движи в една и съща посока всеки път, без да се отклонява от курса.
Слънцето е основният ориентир, както вече знаем, но не е най-надеждният. Височината на слънцето варира през деня, от което точността на ориентирането намалява. Защо тогава бръмбарите не започват да се въртят в кръгове, да се объркват в посоката и да проверяват картата на всеки 2 минути? Логично е да предположим, че слънцето не е единственият източник на информация за пространственото ориентиране. Учените предполагат, че вторият ориентир за бръмбарите е вятърът, по-точно неговата посока. Това не е уникална черта, тъй като мравките и дори хлебарките могат да използват вятъра, за да намерят пътя си.
В своето изследване учените решиха да проверят как бръмбарите-навозници използват тази мултимодална сензорна информация, когато избират да се ориентират по слънцето, а когато по посоката на вятъра, и дали използват и двата варианта едновременно. Направени са наблюдения и измервания в естествени условия на обитание на изпитваните, както и в контролирани лабораторни условия.
Резултати от изследването
В това изследване основният реагент беше бръмбар от вида Scarabaeus lamarcki, а наблюденията в естествени условия се провеждаха на територията на фермата „Stonehenge“, която се намира близо до Йоханесбург (Южна Африка).
Изображение №1: промени в скоростта на вятъра през денонощието (И), промени в посоката на вятъра през денонощието (В).
Бяха проведени предварителни измервания на скоростта и посоката на вятъра. През нощта скоростта беше най-ниска (<0,5 м/с), но близо до изгрева се увеличаваше, достигани до дневен пик (3 м/с) в периода от 11:00 до 13:00 (височина на слънцето ∼70°).
Показателите за скорост се отличават с това, че надвишават прага от 0,15 м/с, необходим за менотактична ориентация на навозните бръмбари. В същото време пикът на скоростта на вятъра съвпада по време с пика на активността на бръмбарите. Scarabaeus lamarcki.
Бръмбарите търкалят находките си в права линия от мястото на събиране на значително разстояние. Средно, за целия маршрут отнема 6.1 ± 3.8 минути. Следователно, през този период те трябва да спазват маршрута възможно най-точно.
Когато става въпрос за посоката на вятъра, по време на максималната активност на бръмбарите (от 06:30 до 18:30) средната промяна на посоката на вятъра през времеви интервал от 6 минути не надвишава 27.0°.
Обединявайки данни за скоростта и посоката на вятъра през деня, учените смятат, че подобни метеорологични условия са достатъчни за мултимодално ориентиране на бръмбарите.
Изображение №2
Време е за наблюдения. За да се провери възможното влияние на вятъра върху характеристиките на ориентацията на навозните бръмбари в пространството, беше създадена кръгла 'арена', в центъра на която се намираше храна. Бръмбарите можеха свободно да търкулват оформените от тях топки във всяка посока от центъра при наличие на контролирана стабилна въздушна струя със скорост 3 м/с. Тези тестове се провеждаха в ясни дни, когато височината на слънцето варираше през деня по следния начин: ≥75° (висока), 45–60° (средна) и 15–30° (ниска).
Промените в въздушния поток и положението на слънцето могат да се променят с 180° между две навлизания на бръмбара (2А). Трябва да се има предвид и фактът, че бръмбарите не страдат от склероза, поради което след първото навлизане запомнят избрания от тях маршрут. Знаейки това, учените вземат предвид промените в ъгъла на излизане от арената по време на последващото навлизане на бръмбара като един от показателите за успешността на ориентирането.
При височина на слънцето ≥75° (висока) промените в азимута в отговор на промяна на посоката на вятъра с 180° между първото и второто навлизане бяха групирани около 180 ° (P <0,001, V-тест) със средно изменение 166.9 ± 79.3° (2B). При това промяната в положението на слънцето (беше използвано огледало) с 180° предизвика слабо забележима реакция 13.7 ± 89.1° (долния кръг на 2B).
Интересно е, че при средна и ниска височина на слънцето бръмбарите се придържаха към своите маршрути, въпреки промените в посоката на вятъра - средна височина: -15.9 ± 40.2 °; P < 0.001; ниска височина: 7.1 ± 37.6 °, P <0,001 (2C и 2D). Но промените в посоката на слънчевите лъчи с 180° имаха обратна реакция, т.е. радикална промяна в посоката на маршрута на бръмбара - средна височина: 153.9 ± 83.3°; ниска височина: −162 ± 69.4°; P <0,001 (долните кръгове на 2А, 2С и 2D).
Възможно е на ориентацията да влияе не самият вятър, а миризми. За да се провери това, на втората група изпробвани щурци са отстранени дисталните сегменти на мустачките, отговорни за обонянието. Промените в маршрута в отговор на промяната на посоката на вятъра с 180°, демонстрирани от тези щурци, все още са били значително групирани около 180°. С други думи, разликата в степента на ориентиране на щурците с и без обоняние практически не съществува.
Промеждутъчният извод е, че навозните щурци използват слънцето и вятъра за своето ориентиране. При това в контролирани лабораторни условия е установено, че вятърният компас преобладава над слънчевия в случай на високи положения на слънцето, но ситуацията започва да се променя, когато слънцето се доближава до хоризонта.
Това наблюдение указва, че съществува динамична мултимодална компас система, при която взаимодействието между двете модалности се променя в зависимост от сензорната информация. Тоест, щурецът се ориентира по всяко време на денонощието, разчитайки на най-надеждния източник на информация в конкретния момент (слънцето е ниско — ориентир слънце; слънцето е високо — ориентир вятър).
След това учените решиха да проверят дали вятърът помага в ориентирането на щурците или не. За целта беше подготвена арена с диаметър 1 м, с храна в центъра. Общо щурците извършиха 20 захода при високо положение на слънцето: 10 с вятър и 10 без вятър (2F).
Както се очакваше, наличието на вятър увеличава точността на ориентирането на щурците. Отбелязва се, че в ранните наблюдения за точността на слънчевия компас, изменението на азимута между две последователни захода се увеличава двукратно при високо положение на слънцето (> 75°), в сравнение с по-ниското положение (<60°).
И така, разбираме, че вятърът играе важна роля в ориентирането на навозните щурци, компенсирайки неточностите на слънчевия компас. Но как щурецът събира информация за скоростта и посоката на вятъра? Разбира се, очевидно е, че това става чрез мустачките. За да се уверят в това, учените провели тестове в закрити условия при постоянен въздушен поток (3 м/с) с участието на две групи щурци — с мустачки и без тях (3A).
Изображение №3
Основният критерий за точността на ориентирането е промяната на азимута между два захода при промяна на посоката на въздушния поток с 180°.
Промяната на посоката на движение на бръмбарите с антени беше групирана около 180°, за разлика от тези без антени. Освен това, средната абсолютна промяна на азимута при бръмбарите без антени беше 104,4 ± 36,0°, което значително се различава от абсолютната промяна при бръмбарите с антени — 141,0 ± 45,0° (график на 3В). Тоест, бръмбарите без антени не можеха да се ориентират добре по вятъра. Въпреки това, те все още се ориентираха добре по слънцето.
На изображението 3А Показана е настройката на теста за проверка на способността на бръмбарите да комбинират информация от различни сензорни модалности за коригиране на маршрута си. За целта в теста бяха включени и двата ориентира (вятър + слънце) по време на първия заход, или само един ориентира (слънце или вятър) по време на втория. По този начин беше сравнена мултимодалността и унимодалността.
Наблюденията показаха, че промените в посоката на движение на бръмбарите след преминаването от мулти- към унимодален ориентир бяха концентрирани около 0°: само вятър: −8,2 ± 64,3°; само слънце: 16,5 ± 51,6° (графики в централната и дясната част на 3C).
Тази характеристика на ориентирането не се различаваше от онази, получена при наличие на два (слънце + вятър) ориентира (график вляво на 3С).
Това означава, че при контролирани условия бръмбарът може да използва един ориентира, ако вторият не предоставя достатъчно информация, т.е. да компенсира неточността на един ориентира с друг.
Ако мислите, че учените са се спрели дотук, грешите. Следващото предизвикателство беше да се провери колко добре бръмбарите запомнят информация за един от ориентирите и дали я използват в бъдеще като допълнение. За целта бяха проведени 4 захода: в първия имаше 1 ориентира (слънце), във втория и третия беше добавен въздушния поток, а по време на четвъртия имаше само въздушния поток. Също така беше проведен тест, при който ориентирите бяха в обратен ред: вятър, слънце+вятър, слънце+вятър, слънце.
Предварителната теория предполага, че ако бръмбарите могат да съхраняват информация за двата ориентира в една и съща област на пространствена памет в мозъка, то те трябва да запазват еднаква посока в първия и четвъртия подход, т.е. промените в посоката на движение трябва да се групират около 0°.
Изображение №4
Събраните данни за промяната на азимута по време на първия и четвъртия подход потвърдиха гореспоменатото предположение (4А), което допълнително бе потвърдено и чрез моделиране, резултатите от което са показани на графика 4C (вляво).
Като допълнителна проверка бяха проведени тестове, при които въздушният поток беше заменен с петно от ултравиолетова светлина (4B и 4C вдясно). Резултатите бяха практически идентични на резултатите от тестовете с използване на слънце и въздушен поток.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Сборът от резултатите от експериментите както в естествени условия, така и в контролирани показа, че при бръмбарите навозници визуалната и механосензорна информация се сближават в обща невронна мрежа и се съхраняват под формата на снимка на мултимодален компас. Сравнението на ефективността на използването на слънцето или вятъра като ориентиращи средства показа, че бръмбарите използват онзи ориентир, който им предоставя повече информация. Вторият се прилага като резервен или допълващ.
Това може да се струва доста обичайно за нас, но не бива да забравяме, че мозъкът ни е много по-голям от този на малкия бръмбар. Но, както разбираме, дори най-малките същества са в състояние да извършват сложни умствени процеси, защото в природата оцеляването ти зависи или от силата, или от ума, а по-често от комбинацията на двете.
Петъчен офф-топ:
Дори бръмбарите се борят за плячка. И няма значение, че плячката е топка от навоз.
(BBC Earth, Дейвид Атънбъро)
Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички чудесни уикенди, момчета! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесват ли ви нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати. 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
