Има въпроси, на които сме задавали или се опитвали да отговорим: защо небето е синьо, колко звезди има на небосвода, кой е по-силен — белия акула или косатка и т.н. А има въпроси, които не сме задавали, но отговорът им не става по-малко интересен. Към такива въпроси можем да отнесем следния — какво толкова важно решили да изследват учени от Лундския (Швеция), Университета на Витватерсранд (Южна Африка), Стокхолмския (Швеция) и Университета във Вюрцбург (Германия) заедно? Вероятно това е нещо наистина важно, много сложно и невероятно полезно. Е, за това е трудно да се каже със сигурност, но определено е доста занимателно, а именно — как се ориентират в пространството навозният бръмбар. На пръв поглед всичко изглежда тривиално, но нашият свят е пълен с неща, които не са толкова просто, колкото изглеждат и навозните бръмбари са доказателство за това. И така, какво е уникалното в навигационната система на навозния бръмбар, как учените го проверили и каква е ролята на конкуренцията? На тези и други въпроси ще намерим отговори в доклада на изследователската група. Да започнем.
Главен герой
Първо е важно да се запознаем с главния герой на това изследване. Той е силен, трудолюбив, настойчив, красив и грижовен. Той е навозният бръмбар от надсемейство Scarabaeoidea.
Навозните бръмбари получили своето не особено привлекателно име заради гастрономическите си предпочитания. От една страна, това е малко неестетично, но за навозния бръмбар това е отличен източник на хранителни вещества, от което 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 похапват многоножки.
Разпространеността на навозните бръмбари може да бъде завидна за повечето други живи същества, тъй като те обитават всички континенти, освен Антарктида. Ареалът им варира от прохладни гори до горещи пустини. Очевидно е, че за голямо струпване на навозни бръмбари е по-лесно да се срещнат в местообитанията на животни, които са "фабрики" за производство на храната им. Навозните бръмбари предпочитат да съхраняват храна за бъдещето.
Кратък видео клип за навозните бръмбари и трудностите в техния начин на живот (BBC, Дейвид Атънбъро).
Различни видове бръмбари притежават собствени адаптационни поведенчески особености. Някои формират топки от тор, които търкалят от мястото на събиране и заравят в дупка. Други копаят тунели под земята, запълвайки ги с храна. А трети, които знаят поговорката за Мохамед и планината, просто живеят в купчини тор.
Запасите от храна са важни за бръмбара, но не толкова по причини за самоопазване, колкото по причини за грижа за бъдещото потомство. Факт е, че личинките на торните бръмбари живеят в това, което родителят е събрал предварително. Колкото повече тор, т.е. храна за личинките, толкова по-голяма е вероятността да оцелеят.
Срещнах такава формулировка по време 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, а с роговидни израстъци бутат съперника… Някои мъжки нямат рога и затова не се бият, но притежават по-големи полови жлези и дебнат женската в съседния тунел…
Както вече споменах, да преминем директно към самото изследване.
Както вече споменах, някои видове торни бръмбари формират топки и ги търкалят в права линия, без да обръщат внимание на качеството и сложността на избрания маршрут, към дупката за съхранение. Именно с такова поведение на тези бръмбари сме най-добре запознати благодарение на многото документални филми. Също така знаем, че освен силата (някои видове могат да вдигнат тегло, което е 1000 пъти по-голямо от собственото им), гастрономическите предпочитания и грижата 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) бръмбарят, след като намери „добыча“, формира топка и започва да я търкаля в права линия в произволна посока, като основното е да се отдалечи от конкурентите, които няма да се поколебаят да отнемат от него добитата храна. Следователно, за да бъде бягството ефективно, е нужно постоянно да се движиш в една и съща посока, без да се сбиваш от курса.
Слънцето е основен ориентир, каквато е известна, но не е най-надеждният. Височината на слънцето се променя през деня, което намалява точността на ориентирането. Защо тогава бръмбарите не започват да правят кръгове, да се объркват в посоката и да сверяват картата на всеки 2 минути? Логично е да предположим, че слънцето не е единственият източник на информация за ориентиране в пространството. И тук учените предполагат, че вторият ориентир за бръмбарите е вятърът, по-точно неговата посока. Това не е уникална особеност, тъй като мравките и дори хлебарките могат да използват вятъра за откриване на пътя.
В своето изследване учените решават да проверят как бръмбарите-навозници използват тази мултимодална сензорна информация, кога предпочитат да се ориентират по слънцето, а кога по посоката на вятъра, и дали използват и двете възможности едновременно. Проведени са наблюдения и измервания в естествената среда на субектите, както и в моделирани контролирани лабораторни условия.
Резултати от изследването
В това изследване главната роля е изиграна от бръмбара от вида Scarabaeus lamarcki, а наблюденията в естествена среда са проведени на територията на ферма „Stonehenge“, която се намира недалеч от Йоханесбург (Южна Африка).
Изображение №1: промени в скоростта на вятъра през денонощието (А), промени в посоката на вятъра през денонощието (В).
Проведени са предварителни измервания на скоростта и посоката на вятъра. През нощта скоростта е била най-ниска (<0,5 м/с), но към изгрев увеличавалась, достигаща дневен пик (3 м/с) в периода от 11:00 до 13:00 (височина на слънцето ∼70°).
Показателите за скоростта са забележителни, тъй като превишават прага от 0,15 м/с, необходим за менотактическа ориентация на навозни бръмбари. При това пикът на скоростта на вятъра съвпада по време с пика на активността на бръмбарите. Scarabaeus lamarcki.
Бръмбарите катят своята плячка по права линия от мястото на събиране на значително разстояние. Средно, за целия маршрут са нужни 6,1 ± 3,8 минути. Следователно, през този период от време те трябва да следват маршрута с максимална точност.
Ако говорим за посоката на вятъра, то в периода на максимална активност на бръмбарите (от 06:30 до 18:30) средната промяна в посоката на вятъра за времевия 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 имаше храна. Бръмбарите можеха свободно да въртят оформените от тях топки в която и да е посока от центъра при наличието на контролирана стабилна въздушна струя със скорост 3 м/с. Тестовете се провеждаха през ясни дни, когато височината на слънцето варираше по следния начин: ≥75° (висока), 45–60° (средна) и 15–30° (ниска).
Промените в въздушната струя и положението на слънцето могат да се променят с 180° между двата захода на бръмбара (2А). Следва да се вземе предвид и фактът, че бръмбарите не страдат от склероза и следователно запомнят избрания от тях маршрут след първия заход. Знаейки това, учените вземат предвид промените в ъгъла на напускане на арената по време на последващия заход на бръмбара като един от показателите за успешност на ориентацията.
При височина на слънцето ≥75° (висока), промените в азимута в отговор на промяната на посоката на вятъра с 180° между първия и втория заход бяха групирани около 180° (P <0,001, V-тест) със средна промяна от 166.9 ± 79.3° (2B). Промяната на положението на слънцето (беше използвано огледало) с 180° предизвика едва забележима реакция от 13.7 ± 89.1° (долния кръг на 2B).
Любопитно е, че при средна и ниска височина на слънцето бръмбарите спазваха своите маршрути, въпреки промяната на посоката на вятъра — средна височина: -15.9 ± 40.2°; P < 0.001; ниска височина: 7.1 ± 37.6°, P <0.001 (участие”, който представлява графично изображение на количественото определение на свързаността между функционално специализираните участъци на мозъка. Всеки от участъците на мозъка бе отнесен към седем класически функционални невронни мрежи. Невронните възли на мозъка с висок коефициент на участие демонстрират различна междумодулна свързаност (връзка между участъците на мозъка) и следователно могат да влияят на процесите на предаване на информация между участъците, както и на тяхната динамика. Докато възлите с нисък коефициент на участие демонстрират по-локални връзки вътре в самия участък на мозъка, а не между няколко участъка. С други думи, ако коефициентът е висок - различните участъци на мозъка активно взаимодействат помежду си, ако е нисък - активността протича вътре в участъка без връзка с съседните ( и 2D). Промяната на посоката на слънчевите лъчи с 180° обаче имаше противоположен ефект, т.е. радикална промяна на 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 ориентирането да се влияе не от самия вятър, а от миризмите. За да се провери това, на втората група от опитни бръмбари бяха премахнати дисталните сегменти на антени, отговорни за обонянието. Промените в маршрута в отговор на промяна на посоката на вятъра с 180°, показани от тези бръмбари, все още бяха значително групирани около 180°. С други думи, разликата в степента на ориентиране между бръмбарите с и без обоняние всъщност липсва.
Промежуточният извод е, че навозните бръмбари използват слънцето и вятъра за ориентиране. В контролирани лабораторни условия беше установено, че ветровият компас преобладава над слънчевия при високи позиции на слънцето, но ситуацията започва да се променя, когато слънцето се приближава до хоризонта.
Това наблюдение показва, че съществува динамична мултимодална компасна система, при която взаимодействието между двете модалности се променя в зависимост от сензорната информация. Тоест, бръмбарът се ориентира по всяко време на деня, разчитайки на най-надеждния източник на информация в дадения момент (слънцето е ниско — ориентация слънце; слънцето е високо — ориентация вятър).
По-нататък учените решиха да проверят дали вятърът помага на бръмбарите в ориентирането или не. За целта беше подготвена арена с диаметър 1 м, с храна в центъра. Бръмбарите извършиха общо 20 захода при висока позиция на слънцето: 10 с вятър и 10 без вятър (2F).
Както се очакваше, наличието на вятър увеличава точността на ориентирането на бръмбарите. Отбелязва се, че в ранни наблюдения на точността на слънчевия компас промяната в азимута между два последователни захода се увеличава два пъти при висока позиция на слънцето (> 75°) в сравнение с по-ниска позиция (<60°).
И така, разбрахме, че вятърът играе важна роля в ориентирането на навозните бръмбари, компенсирайки неточностите на слънчевия компас. Но как бръмбарът събира информация за скоростта и посоката на вятъра? Очевидно е, че това става чрез антените. За да се уверят в това, учените проведоха тестове в закрити условия при постоянен въздушен поток (3 м/с) с участие на две групи бръмбари — с антени и без тях (3A).
Изображение №3
Основният критерий за точност на ориентирането беше промяната в азимута между два захода при смяна на посоката на въздушния поток с 180°.
Промяната в движението на бръмбарите с антени беше съсредоточена около 180°, в противовес на бръмбарите без антени. Освен това, средната абсолютна промяна в азимута при бръмбарите без антени беше 104,4 ± 36,0°, което е значително различно от абсолютната промяна при бръмбарите с антени — 141,0 ± 45,0° (график на 3В). Тоест, бръмбарите без мустачки не можеха да се ориентират правилно 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 сетивни модалности за коригиране на маршрута си. За целта в теста присъстваха и двете опори (вятър + слънце) по време на първото преминаване, или само една опора (слънце или вятър) по време на второто. По този начин се сравняваше мултимодалността и унимодалността.
Наблюденията показаха, че промяната в посоката на движение на бръмбарите след преминаването от мулти- към унимодалната опора беше концентрирана около 0°: само вятър: −8,2 ± 64,3°; само слънце: 16,5 ± 51,6° (графиките в центъра и вдясно на 3C).
Тази характеристика на ориентирането не се различаваше от получената при наличие на две (слънце + вятър) опори (графикът вляво на 3С).
Това говори, че в контролирани условия бръмбарът може да използва една опора, ако втората не предоставя достатъчно информация, т.е. да компенсира неточността на една опора с втора.
Ако смятате, че учените тук са спрели, то не е така. По-нататък беше необходимо да се провери колко добре бръмбарите съ хранят информация за една от опорите и използват ли я в бъдеще като допълнение. За целта бяха проведени 4 преминавания: в първото имаше 1 опора (слънце), във второто и третото беше добавен въздушният поток, а по време на четвъртото имаше само въздушния поток. Беше проведен и тест, в който опорите бяха в обратен ред: вятър, слънце+вятър, слънце+вятър, слънце.
Предварителната теория предполага, че ако бръмбарите могат да съхраняват информация за двете опори в една и съща област на пространствена памет в мозъка, те трябва да запазват еднаква посока в първото и четвъртото преминаване, т.е. промените в посоката на движение трябва да се групират около 0°.
Изображение №4
Събраните данни за промяната на азимута по време на първото и четвъртото преминавания потвърдиха горепосоченото предположение (4А), което допълнително беше потвърдено и чрез моделиране, резултатите от което са показани на график 4С (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 слънчева светлина и въздушен поток.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Съвкупността от резултатите от експериментите както в естествена среда, така и в контролирана показа, че за навозните хлебарки визуалната и механосензорната информация съвпадат в обща невропръстенаска мрежа и се запазват под формата на снимка на мултимодален компас. Сравнението на ефективността от използването на слънчевата светлина или вятъра като ориентир показа, че хлебарките повече използват този ориентир, който им предоставя повече информация. Вторият се използва като резервен или допълващ.
Това може да ни изглежда съвсем обичайно, но не бива да забравяме, че и мозъкът ни е много по-голям от този на малкия жучок. Но, както разбрахме, дори най-малките създания са способни на сложни умствени процеси, тъй като в дивата природа оцеляването ти зависи или от силата, или от ума, а често и от комбинацията на двете.
Петъчен офф-топ:
Дори хлебарките се борят за плячка. И не е важно, че плячката е топче от навоз.
(BBC Earth, Дейвид Атънбъро)
Благодаря за вниманието, оставайте любопитни и приятен уикенд на всички! 🙂
Благодарим, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
