Existují otázky, které jsme si kladli nebo se na ně snažili odpovědět: proč je obloha modrá, kolik hvězd je na nebi, kdo je silnější - bílý žralok nebo kosatka atd. A jsou otázky, které jsme si nekladli, ale odpověď na ně není o nic méně zajímavá. K takovým otázkám patří další: co tak důležité se rozhodli zkoumat vědci ze spojených univerzit v Lund (Švédsko), Witwatersrand (JAR), Stockholm (Švédsko) a Würzburg (Německo)? Pravděpodobně to je něco velmi důležitého, velmi složitého a neuvěřitelně užitečného. No, je těžké s tímto jednoznačně souhlasit, ale rozhodně je to velmi fascinující, a to konkrétně - jak se hmyz žijící na hnoji orientuje v prostoru. Na první pohled se to zdá být triviální, ale náš svět je plný věcí, které nejsou tak jednoduché, jak se zdají, a hmyz žijící na hnoji je toho důkazem. Takže, co je tak unikátní na navigačním systému hmyzu žijícího na hnoji, jak to vědci ověřili a jaký to má vztah k soutěži? Na tyto a další otázky najdeme odpovědi v zprávě výzkumné skupiny. Pojďme na to.
Hlavní hrdina
Nejdříve se seznamme s hlavním hrdinou této studie. Je silný, pracovitý, důvtipný, hezký a pečující. Je to hmyz žijící na hnoji z nadčeledi skaraboidních.
Hmyz žijící na hnoji dostal své méně atraktivní jméno kvůli svým gastronomickým preferencím. Na jednu stranu to může být trochu odpudivé, ale pro hmyz žijící na hnoji je to skvělý zdroj živin, díky čemuž většina druhů této rodiny nepotřebuje jiné zdroje potravy ani vody. Jedinou výjimkou je druh Deltochilum valgum, jehož zástupci si rádi pochutnají na stonožkách.
Rozšíření hmyzu žijícího na hnoji by mohlo závidět většina ostatních živých bytostí, protože obývá všechny kontinenty kromě Antarktidy. Jejich areál se pohybuje od chladných lesů po horké pouště. Je zřejmé, že velké shromáždění hmyzu žijícího na hnoji je jednodušší potkat v oblastech obývaných zvířaty, která jsou "továrnami" na výrobu jejich potravy. Hmyz žijící na hnoji dává přednost shromažďování potravy do budoucna.
Krátké video o hmyzu žijícím na hnoji a složitosti jejich života (BBC, David Attenborough).
Různé druhy brouků mají své vlastní adaptační chování. Někteří formují kuličky z trusu, které kutáčí daleko od místa sběru a zakopávají je do nory. Jiní vyrábějí tunely pod zemí, které plní potravou. A ti třetí, znající přísloví o Mohamedovi a horách, jednoduše žijí ve hromadách trusu.
Sklady potravy jsou pro brouka důležité, ale ne tolik z důvodů zachování vlastního života, jako spíše pro péči o budoucí potomstvo. Je to proto, že larvy hnojařů žijí v tom, co jejich rodič dříve nasbíral. A čím více trusu, tedy potravy pro larvy, tím větší je pravděpodobnost, že přežijí.
Narazil jsem na tuto formulaci při shromažďování informací a zní to poněkud podivně, zejména poslední část:...Samci bojují o samice, opírají se nohama o stěny tunelu a rohovitými výrůstky strkají protivníka... Někteří samci nemají rohy, a proto se neúčastní zápasu, ale mají větší pohlavní žlázy a hlídají samici v sousedním tunelu...
Nuže, od lyriky přejdeme přímo k samotnému výzkumu.
Jak jsem již dříve zmínil, některé druhy hnojařů formují kuličky a kutáčí je přímou linií, aniž by braly v úvahu kvalitu a složitost vybrané trasy, do nory na skladování. Právě toto chování těchto brouků známe nejlépe díky množství dokumentárních filmů. Také víme, že kromě síly (některé druhy mohou zvednout váhu, která je 1000krát větší než jejich vlastní), gastronomických preferencí a péče o potomstvo, se hnojaři skvěle orientují v prostoru. Navíc jsou jedinými hmyzem, kteří jsou schopni se orientovat v noci podle hvězd.
V Jižní Africe (místo pozorování) hnojař, když najde „kořist“, vytvoří kuličku a začne ji kutáčet přímou linií v náhodném směru, hlavně daleko od konkurentů, kteří nepohrdnou odcizením jeho nasbírané potravy. Aby byl útěk efektivní, je nutné se stále pohybovat stejným směrem, aniž by sezměnil kurz.
Slunce je hlavním orientačním bodem, jak již víme, ale není to nejspolehlivější. Výška slunce se během dne mění, což snižuje přesnost orientace. Proč tedy brouci nezačínají kroužit, nepletou se v směru a nekontrolují mapu každé 2 minuty? Logicky bychom mohli předpokládat, že slunce není jediným zdrojem informací pro orientaci v prostoru. A zde vědci předpokládali, že druhým orientačním bodem pro brouky je vítr, přesněji jeho směr. To není jedinečná vlastnost, protože mravenci a dokonce i švábi jsou schopni používat vítr k nalezení cesty.
Ve své práci se vědci rozhodli prozkoumat, jak brouci hnojaři využívají tuto multimodální senzorickou informaci, kdy dávají přednost orientaci podle slunce a kdy podle směru větru, a zda oba varianty používají současně. Byly provedeny pozorování a měření v přirozeném prostředí zkušebních subjektů, stejně jako ve simulovaných kontrolovaných laboratorních podmínkách.
Výsledky výzkumu
V této studii hrál hlavní testovaný subjekt brouk druhu Scarabaeus lamarcki, a pozorování v přirozeném prostředí byla prováděna na území farmy "Stonehenge", nedaleko Johannesburgu (Jižní Afrika).
Obrázek č. 1: změny rychlosti větru během dne (A), změny směru větru během dne (V).
Byla provedena předběžná měření rychlosti a směru větru. V noci byla rychlost nejnižší (<0,5 m/s), ale blíže k úsvitu se zvyšovala, dosahujíc denního maxima (3 m/s) v období od 11:00 do 13:00 (výška slunce ~70°).
Hodnoty rychlosti jsou pozoruhodné tím, že překračují práh 0,15 m/s, potřebný pro menotaktickou orientaci hnojařských brouků. Přičemž vrchol rychlosti větru časově koresponduje s vrcholem aktivity brouků. Scarabaeus lamarcki.
Brouci tlačí svou kořist v přímé linii od místa sběru na dostatečně velkou vzdálenost. V průměru celý úsek trvá 6.1 ± 3.8 minut. Proto během tohoto časového úseku musí dodržovat trasu maximálně přesně.
Pokud hovoříme o směru větru, v období maximální aktivity brouků (od 06:30 do 18:30) průměrná změna směru větru během časového úseku 6 minut nepřesahuje 27.0°.
Zkombinováním dat o rychlosti a směru větru během dne vědci tvrdí, že takové meteorologické podmínky stačí pro multimodální orientaci brouků.
Obrázek č. 2
Nastal čas pozorování. Aby se prozkoumal možný vliv větru na vlastnosti orientace hnojařských brouků v prostoru, byla vytvořena kulatá 'aréna', uprostřed které byla potrava. Brouci mohli volně kutálet své vytvořené koule jakýmkoli směrem od středu za přítomnosti kontrolovaného stabilního vzdušného proudu o rychlosti 3 m/s. Tyto testy se prováděly ve slunečných dnech, kdy se výška slunce během dne měnila následujícím způsobem: ≥75° (vysoká), 45–60° (střední) a 15–30° (nízká).
Změny vzdušného proudu a postavení slunce se mohou měnit o 180° mezi dvěma průlety brouka (2A). Je třeba vzít v úvahu i to, že sklerózou brouci netrpí, a proto si po prvním průletu zapamatují zvolenou trasu. Vědci tedy zohledňují změny úhlu výstupu z arény během následujícího přístupu brouka jako jeden z ukazatelů úspěšnosti orientace.
Při výšce slunce ≥75° (vysoká) se změny azimutu v reakci na změnu směru větru o 180° mezi prvním a druhým průletem seskupily kolem 180° (P <0,001, V-test) s průměrnou změnou 166,9 ± 79,3° (2B). Přitom změna postavení slunce (bylo použito zrcadlo) o 180° vyvolala málo znatelnou reakci 13,7 ± 89,1° (dolní kruh na 2B).
Zajímavé je, že při střední a nízké výšce slunce se brouci drželi svých tras, bez ohledu na změny směru větru — průměrná výška: -15,9 ± 40,2°; P <0,001; nízká výška: 7,1 ± 37,6°, P <0,001 (2C a 2D). Zatímco změny směru slunečních paprsků o 180° měly opačnou reakci, což znamená radikální změnu směru trasy brouka — průměrná výška: 153,9 ± 83,3°; nízká výška: −162 ± 69,4°; P <0,001 (dolní kruhy na 2A, 2C a 2D).
Možná, že na orientaci neovlivňuje sám vítr, ale vůně. Pro ověření toho byla druhé skupině testovaných brouků odstraněna distální segmenty tykadel, odpovědné za čich. Změny trasy v reakci na změnu směru větru o 180°, které tyto brouci demonstrovali, byly stále výrazně skupinovány kolem 180°. Jinými slovy, rozdíly v úrovni orientace u brouků s a bez čichu vlastně neexistují.
Mezivýsledkem je, že hnojní brouci při své orientaci používají slunce a vítr. Bylo zjištěno, že v kontrolovaných laboratorních podmínkách převládá větrný kompas nad slunečním v případě vysokých poloh slunce, ale situace začíná měnit, když se slunce blíží k horizontu.
Tato pozorování naznačují, že existuje dynamický multimodální kompasový systém, ve kterém interakce mezi dvěma modalitami se mění v závislosti na senzorických informacích. To znamená, že brouk se orientuje v kteroukoli denní dobu na základě nejspolehlivějšího zdroje informací v daném okamžiku (slunce nízko — orientace na slunce; slunce vysoko — orientace na vítr).
Dále vědci chtěli ověřit, zda vítr pomáhá broukům v orientaci či nikoli. K tomu byla připravena aréna o průměru 1 m s potravou uprostřed. Celkově brouci uskutečnili 20 pokusů při vysoké poloze slunce: 10 s větrem a 10 bez větru (2F).
Jak se očekávalo, přítomnost větru zvyšovala přesnost orientace brouků. Bylo zaznamenáno, že v raných pozorováních přesnosti slunečního kompasu se změna azimutu mezi dvěma po sobě jdoucími pokusy zdvojnásobuje při vysoké poloze slunce (> 75°) ve srovnání s nižší polohou (<60°).
Takže jsme pochopili, že vítr hraje důležitou roli v orientaci hnojních brouků, kompenzující nepřesnosti slunečního kompasu. Ale jak sbírá brouk informace o rychlosti a směru větru? Samozřejmě, že se to děje prostřednictvím tykadel. Aby se v tom ujistili, vědci provedli testy v uzavřené místnosti při konstantním proudění vzduchu (3 m/s) se dvěma skupinami brouků — s tykadly a bez nich (3A).
Obrázek č. 3
Jako hlavní kritérium přesnosti orientace byla zvolena změna azimutu mezi dvěma přístupy při změně směru proudění vzduchu o 180°.
Změna směru pohybu brouků s tykadly byla skupinována okolo 180°, na rozdíl od brouků bez tykadel. Průměrná absolutní změna azimutu u brouků bez tykadel činila 104,4 ± 36,0°, což se výrazně liší od absolutní změny u brouků s tykadly — 141,0 ± 45,0° (graf na 3B). To znamená, že brouci bez tykadel nemohli správně orientovat podle větru. Nicméně, stále se dobře orientovali podle slunce.
Na obrázku 3A je zobrazena instalace testu pro ověření schopnosti brouků kombinovat informace z různých senzorických modalit pro úpravu jejich trasy. K tomu byly v testu přítomny oba orientační body (vítr + slunce) během prvního přístupu nebo pouze jeden orientační bod (slunce nebo vítr) během druhého. Tímto byly porovnávány multimodalita a unimodalita.
Pozorování ukázala, že změny směru pohybu brouků po přechodu od multi- k unimodální orientaci byly soustředěny okolo 0°: pouze vítr: −8,2 ± 64,3°; pouze slunce: 16,5 ± 51,6° (grafy uprostřed a vpravo na 3C).
Tato charakteristika orientace se nelišila od té, která byla získána při přítomnosti dvou (slunce + vítr) orientačních bodů (graf vlevo na 3C).
To ukazuje na to, že za kontrolovaných podmínek může brouk využít jeden orientační bod, pokud druhý neposkytuje dostatečné informace, tedy kompenzovat nepřesnost jednoho orientačního bodu druhým.
Pokud si myslíte, že tím to vědci skončili, tak to není pravda. Dále bylo třeba ověřit, jak dobře brouci uchovávají informace o jednom z orientačních bodů, a zda je v budoucnu používají jako doplněk. K tomu byly provedeny 4 přístupy: v prvním byl 1 orientační bod (slunce), ve druhém a třetím byl přidán vzdušný proud, a během čtvrtého byl pouze vzdušný proud. Také byl proveden test, kde byly orientační body v opačném pořadí: vítr, slunce+vítr, slunce+vítr, slunce.
Předběžná teorie je, že pokud mohou brouci uchovávat informace o obou orientacích ve stejné oblasti prostorové paměti v mozku, musí si uchovávat stejný směr při prvním a čtvrtém průletu, tj. změny směru pohybu se musí seskupovat okolo 0°.
Obrázek č. 4
Shromážděná data o změně azimutu během prvního a čtvrtého průletu potvrdila výše uvedenou hypotézu (4A), která byla dále potvrzena i modelováním, jehož výsledky jsou zobrazeny v grafu 4C (vlevo).
Jako dodatečné ověření byly provedeny testy, kde byl vzdušný proud nahrazen skvrnou ultrafialového záření (4B a 4C vpravo). Výsledky byly téměř identické s výsledky testů s použitím slunce a vzdušného proudu.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
Soubor výsledků experimentů jak v přirozeném prostředí, tak v kontrolovaném ukázal, že u hnojišťáků se vizuální a mechanosenzorické informace spojují do společné neuronové sítě a uchovávají se jako snímek multimodálního kompasu. Porovnání efektivity používání slunce nebo větru jako orientačního bodu ukázalo, že brouci více upřednostňují ten orientační bod, který poskytuje více informací. Druhý slouží jako záložní nebo doplňkový.
To se může zdát velmi běžné pro nás, ale nesmíme zapomínat, že náš mozek je mnohem větší než mozek malé brouka. Jak jsme pochopili, dokonce i nejmenší bytosti jsou schopny složitých mentálních procesů, protože v podmínkách divoké přírody závisí vaše přežití buď na síle, nebo na inteligenci, a většinou na kombinaci obou.
Páteční off-topic:
O potravu se perou i brouci. A nezáleží na tom, že kořist je kulička hnoje.
(BBC Earth, David Attenborough)
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvědaví a užijte si víkend, kluci! 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
