Има въпроси, на които зададохме или се опитахме да отговорим: защо небето е синьо, колко звезди има на небето, кой е по-силен - бялата акула или косатката и т.н. И има въпроси, които не сме задали, но това не прави отговора по-малко интересен. Такива въпроси включват следното: какво толкова важно са комбинирали учените от университетите в Лунд (Швеция), Витватерсранд (Южна Африка), Стокхолм (Швеция) и Вюрцбург (Германия)? Това вероятно е нещо много важно, много сложно и невероятно полезно. Е, трудно е да се каже със сигурност за това, но определено е много интересно, а именно как торните бръмбари се движат в космоса. На пръв поглед всичко тук е тривиално, но нашият свят е пълен с неща, които не са толкова прости, колкото изглеждат, а торните бръмбари са доказателство за това. И така, какво е толкова уникално в навигационната система на торния бръмбар, как учените са я тествали и какво общо има конкуренцията с това? На тези и други въпроси ще намерим отговор в доклада на изследователската група. Отивам.
главен герой
Преди всичко си струва да се запознаете с главния герой на това изследване. Той е силен, трудолюбив, упорит, красив и грижовен. Това е торен бръмбар от надсемейство Scarabaeidae.
Торните бръмбари получиха своето не особено привлекателно име поради своите гастрономически предпочитания. От една страна, това е малко грубо, но за торния бръмбар той е отличен източник на хранителни вещества, поради което повечето видове от това семейство не се нуждаят от други източници на храна или дори вода. Единственото изключение е видът Deltochilum valgum, чиито представители обичат да пируват със стоножки.
Разпространението на торните бръмбари предизвиква завист от повечето други живи същества, тъй като те живеят на всички континенти с изключение на Антарктида. Местообитанието варира от прохладни гори до горещи пустини. Очевидно е по-лесно да се намерят големи концентрации на торни бръмбари в животински местообитания, които са „фабрики“ за производство на тяхната храна. Торните бръмбари предпочитат да съхраняват храна за бъдещето.
Кратко видео за торните бръмбари и сложността на техния начин на живот (BBC, Дейвид Атънбъроу).
Различните видове бръмбари имат свои собствени поведенчески адаптационни характеристики. Някои образуват топки тор, които се търкалят от мястото за събиране и се заравят в дупка. Други копаят тунели под земята, пълнейки ги с храна. А други, които знаят поговорката за Мохамед и скръбта, просто живеят в купища тор.
Хранителните запаси са важни за бръмбара, но не толкова от съображения за самосъхранение, а от съображения за грижа за бъдещото потомство. Факт е, че ларвите на торни бръмбари живеят в това, което техните родители са събрали по-рано. И колкото повече тор, тоест храна за ларвите, толкова по-вероятно е те да оцелеят.
Попаднах на тази формулировка в процеса на събиране на информация и не звучи много добре, особено последната част:... Мъжките се бият за женските, опирайки краката си в стените на тунела и избутвайки противника си с подобни на рога израстъци ... Някои мъжки нямат рога и следователно не участват в битка, но имат по-големи полови жлези и охрана женската в следващия тунел...
Е, нека да преминем от текстовете директно към самото изследване.
Както споменах по-рано, някои видове торни бръмбари образуват топки и ги търкалят в права линия, независимо от качеството или трудността на избрания маршрут, в дупка за съхранение. Именно това поведение на тези бръмбари ни е най-познато благодарение на много документални филми. Знаем също, че освен сила (някои видове могат да вдигнат 1000 пъти собственото си тегло), гастрономически предпочитания и грижа за потомството, торните бръмбари имат отлична пространствена ориентация. Освен това те са единствените насекоми, които могат да се ориентират през нощта, използвайки звездите.
В Южна Африка (мястото на наблюденията) торен бръмбар, след като намери „плячка“, образува топка и започва да я търкаля по права линия в произволна посока, най-важното далеч от конкуренти, които няма да се поколебаят да отнемат получената храна. Следователно, за да бъде бягството ефективно, трябва да се движите в една и съща посока през цялото време, без да се отклонявате от курса.
Слънцето е основният ориентир, както вече знаем, но не е най-надеждният. Височината на слънцето се променя през деня, което намалява точността на ориентацията. Защо бръмбарите не започнат да тичат в кръг, да се объркват в посоката и да проверяват картата на всеки 2 минути? Логично е да се предположи, че слънцето не е единственият източник на информация за ориентация в пространството. И тогава учените предположиха, че втората отправна точка за бръмбарите е вятърът, или по-скоро неговата посока. Това не е уникална характеристика, тъй като мравките и дори хлебарките могат да използват вятъра, за да намерят своя път.
В работата си учените решават да тестват как торните бръмбари използват тази мултимодална сензорна информация, кога предпочитат да се ориентират по слънцето и кога по посоката на вятъра и дали използват и двете опции едновременно. Наблюденията и измерванията бяха направени в естествената среда на субектите, както и в симулирани, контролирани лабораторни условия.
Резултати от проучването
В това изследване ролята на основен обект играе бръмбар от вида Scarabaeus lamarcki, а наблюдения в естествена среда са извършени на територията на фермата Стоунхендж, близо до Йоханесбург (ЮАР).
Изображение № 1: промени в скоростта на вятъра през деня (А), промени в посоката на вятъра през деня (В).
Извършени са предварителни измервания на скоростта и посоката на вятъра. През нощта скоростта беше най-ниска (<0,5 m/s), но се увеличи по-близо до зазоряване, достигайки дневен пик (3 m/s) между 11:00 и 13:00 (слънчева надморска височина ~70°).
Стойностите на скоростта са забележителни, защото надвишават прага от 0,15 m/s, необходим за менотактична ориентация на торните бръмбари. В този случай пиковата скорост на вятъра съвпада по времето на деня с пиковата активност на бръмбарите Scarabaeus lamarcki.
Бръмбарите търкалят плячката си по права линия от събирателната точка на доста голямо разстояние. Средно целият маршрут отнема 6.1 ± 3.8 минути. Затова през този период от време те трябва да следват маршрута възможно най-точно.
Ако говорим за посоката на вятъра, тогава в периода на максимална активност на бръмбарите (от 06:30 до 18:30), средната промяна в посоката на вятъра за период от време от 6 минути е не повече от 27.0 °.
Чрез комбиниране на данни за скоростта и посоката на вятъра през целия ден учените смятат, че такива метеорологични условия са достатъчни за мултимодална навигация на бръмбари.
Изображение #2
Време е за наблюдение. За да се тества възможното влияние на вятъра върху характеристиките на пространствената ориентация на торните бръмбари, беше създадена кръгла „арена“ с храна в центъра. Бръмбарите бяха свободни да търкалят образуваните от тях топки във всяка посока от центъра в присъствието на контролиран, стабилен въздушен поток със скорост от 3 m/s. Тези тестове са проведени в ясни дни, когато надморската височина на слънцето варира през целия ден, както следва: ≥75° (висока), 45–60° (средна) и 15–30° (ниска).
Промените във въздушния поток и позицията на слънцето могат да се променят до 180° между две посещения на бръмбари (2А). Струва си да се има предвид и фактът, че бръмбарите не страдат от склероза и следователно след първото посещение те запомнят маршрута, който са избрали. Знаейки това, учените вземат предвид промените в ъгъла на излизане от арената по време на последващото влизане на бръмбара като един от показателите за успеха на ориентацията.
Когато височината на слънцето е ≥75° (висока), промените в азимута в отговор на промяна от 180° в посоката на вятъра между първия и втория комплект са групирани около 180° (P <0,001, V тест) със средна промяна от 166.9 ± 79.3 ° (2B). В този случай промяна в позицията на слънцето (използвано е огледало) с 180° предизвика фина реакция от 13,7 ± 89,1° (долния кръг на 2B).
Интересното е, че при средна и ниска слънчева надморска височина, бръмбарите се придържаха към маршрутите си въпреки промените в посоката на вятъра - средна надморска височина: -15,9 ± 40,2°; Р <0,001; ниска надморска височина: 7,1 ± 37,6°, P < 0,001 (2C и 2D). Но промяната на посоката на слънчевите лъчи на 180° имаше обратна реакция, тоест радикална промяна в посоката на маршрута на бръмбара - средна височина: 153,9 ± 83,3°; малка надморска височина: −162 ± 69,4°; P <0,001 (долни кръгове в 2А, 2S и 2D).
Може би ориентацията се влияе не от самия вятър, а от миризмите. За да се тества това, на втора група тестови бръмбари бяха премахнати дисталните антенни сегменти, които са отговорни за обонянието им. Промените в маршрута в отговор на 180° промени в посоката на вятъра, показани от тези бръмбари, все още са значително групирани около 180°. С други думи, практически няма разлика в степента на ориентация между бръмбарите със и без обоняние.
Междинно заключение е, че торните бръмбари използват слънцето и вятъра за своята ориентация. В този случай, при контролирани лабораторни условия, беше установено, че компасът на вятъра доминира над слънчевия компас при големи височини на слънцето, но ситуацията започва да се променя, когато слънцето се приближи до хоризонта.
Това наблюдение показва, че е налице динамична мултимодална компасна система, в която взаимодействието между двете модалности се променя според сензорната информация. Тоест, бръмбарът навигира по всяко време на деня, разчитайки на най-надеждния източник на информация в този конкретен момент (слънцето е ниско - слънцето е ориентир; слънцето е високо - вятърът е ориентир).
След това учените решиха да проверят дали вятърът помага при ориентирането на бръмбарите или не. За целта беше подготвена арена с диаметър 1 м с храна в центъра. Общо бръмбарите направиха 20 залеза на висока позиция на слънцето: 10 с вятър и 10 без вятър (2F).
Както се очакваше, наличието на вятър увеличи точността на ориентация на бръмбарите. Отбелязва се, че при ранни наблюдения на точността на слънчевия компас, промяната в азимута между два последователни комплекта се удвоява при висока позиция на слънцето (>75°) в сравнение с по-ниска позиция (<60°).
И така, разбрахме, че вятърът играе важна роля в ориентацията на торните бръмбари, като компенсира неточностите на слънчевия компас. Но как един бръмбар събира информация за скоростта и посоката на вятъра? Разбира се, най-очевидното нещо е, че това се случва чрез антените. За да проверят това, учените проведоха тестове на закрито при постоянен въздушен поток (3 m/s) с участието на две групи бръмбари - със и без антени (3A).
Изображение #3
Основният критерий за точност на ориентацията беше промяната на азимута между два подхода, когато посоката на въздушния поток се промени на 180 °.
Промените в посоката на движение на бръмбари с антени са групирани около 180 °, за разлика от бръмбари без антени. В допълнение, средната абсолютна промяна в азимута за бръмбари без антени е 104,4 ± 36,0°, което е много различно от абсолютната промяна за бръмбари с антени - 141,0 ± 45,0° (графика в 3V). Тоест бръмбарите без антени не биха могли да се движат нормално във вятъра. Въпреки това те все още бяха добре ориентирани по слънцето.
На изображението 3А показва тестова настройка за тестване на способността на бръмбарите да комбинират информация от различни сензорни модалности, за да коригират своя маршрут. За целта тестът включва и двата ориентира (вятър + слънце) по време на първия подход или само един ориентир (слънце или вятър) по време на втория. По този начин бяха сравнени мултимодалността и унимодалността.
Наблюденията показват, че промените в посоката на движение на бръмбарите след прехода от мулти- към унимодален ориентир са концентрирани около 0°: само вятър: −8,2 ± 64,3°; само слънце: 16,5 ± 51,6° (графики в центъра и вдясно 3C).
Тази характеристика на ориентация не се различава от тази, получена при наличието на два ориентира (слънце + вятър) (графика вляво в 3S).
Това предполага, че при контролирани условия бръмбарът може да използва един ориентир, ако вторият не предоставя достатъчно информация, тоест да компенсира неточността на един ориентир с втория.
Ако смятате, че учените са спрели дотук, това не е така. След това беше необходимо да се провери колко добре бръмбарите съхраняват информация за една от забележителностите и дали я използват в бъдеще като допълнение. За тази цел бяха извършени 4 подхода: в първия имаше 1 ориентир (слънцето), във втория и третия беше добавен въздушен поток, а по време на четвъртия имаше само въздушен поток. Беше проведен и тест, при който ориентирите бяха в обратен ред: вятър, слънце + вятър, слънце + вятър, слънце.
Предварителна теория е, че ако бръмбарите могат да съхраняват информация за двете забележителности в една и съща област на пространствената памет в мозъка, тогава те трябва да поддържат същата посока при първото и четвъртото посещение, т.е. промените в посоката на движение трябва да се групират около 0°.
Изображение #4
Събраните данни за промяната в азимута по време на първия и четвъртия цикъл потвърдиха горното предположение (4A), което беше допълнително потвърдено чрез моделиране, резултатите от което са изобразени на графика 4C (вляво).
Като допълнителна проверка бяха проведени тестове, при които въздушният поток беше заменен с ултравиолетово петно (4B и 4C вдясно). Резултатите бяха почти идентични с тестовете на слънце и въздушен поток.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате и на него.
Епилог
Комбинацията от резултати от експерименти както в естествена, така и в контролирана среда показа, че при торните бръмбари визуалната и механосензорната информация се събират в обща невронна мрежа и се съхраняват като моментна снимка на мултимодален компас. Сравнението на ефективността на използването на слънцето или вятъра като ориентир показа, че бръмбарите са склонни да използват ориентира, който им предоставя повече информация. Вторият се използва като резервен или допълващ.
Това може да изглежда като нещо обичайно за нас, но не забравяйте, че мозъкът ни е много по-голям от този на малка буболечка. Но, както научихме, дори и най-малките същества са способни на сложни умствени процеси, тъй като в дивата природа вашето оцеляване зависи или от силата, или от интелигентността, а най-често от комбинацията от двете.
Петък извън топ:
Дори бръмбарите се бият за плячка. И няма значение, че плячката е топка тор.
(BBC Earth, Дейвид Атънбъро)
Благодаря за четенето, останете любопитни и желая страхотен уикенд, момчета! 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com