Es gibt Fragen, die wir gestellt oder zu beantworten versucht haben: Warum ist der Himmel blau, wie viele Sterne gibt es am Himmel, wer ist stärker – ein Weißer Hai oder ein Killerwal usw. Und es gibt Fragen, die wir nicht gestellt haben, aber das macht die Antwort nicht weniger interessant. Zu diesen Fragen gehören die folgenden: Was war für Wissenschaftler der Universitäten Lund (Schweden), Witwatersrand (Südafrika), Stockholm (Schweden) und Würzburg (Deutschland) so wichtig? Das ist wahrscheinlich etwas sehr Wichtiges, sehr Komplexes und unglaublich Nützliches. Nun, das lässt sich schwer mit Sicherheit sagen, aber es ist auf jeden Fall sehr interessant, nämlich wie Mistkäfer im Weltraum navigieren. Auf den ersten Blick ist hier alles trivial, aber unsere Welt ist voller Dinge, die nicht so einfach sind, wie sie scheinen, und Mistkäfer sind der Beweis dafür. Was ist also das Besondere am Navigationssystem des Mistkäfers, wie haben Wissenschaftler es getestet und was hat die Konkurrenz damit zu tun? Antworten auf diese und weitere Fragen finden wir im Bericht der Forschungsgruppe. Gehen.
Protagonist
Zunächst lohnt es sich, die Hauptfigur dieser Studie kennenzulernen. Er ist stark, fleißig, ausdauernd, gutaussehend und fürsorglich. Es handelt sich um einen Mistkäfer aus der Überfamilie Scarabaeidae.
Mistkäfer erhielten ihren wenig attraktiven Namen aufgrund ihrer gastronomischen Vorlieben. Das ist einerseits etwas eklig, für den Mistkäfer aber eine hervorragende Nährstoffquelle, weshalb die meisten Arten dieser Familie keine anderen Nahrungsquellen oder gar Wasser benötigen. Die einzige Ausnahme bildet die Art Deltochilum valgum, deren Vertreter sich gerne an Tausendfüßlern erfreuen.
Die meisten anderen Lebewesen beneiden die Verbreitung von Mistkäfern, da sie auf allen Kontinenten außer der Antarktis leben. Der Lebensraum reicht von kühlen Wäldern bis hin zu heißen Wüsten. Offensichtlich ist es einfacher, große Konzentrationen von Mistkäfern in Tierlebensräumen zu finden, die „Fabriken“ für die Produktion ihrer Nahrung sind. Mistkäfer lagern am liebsten Nahrung für die Zukunft.
Ein kurzes Video über Mistkäfer und die Komplexität ihrer Lebensweise (BBC, David Attenborough).
Verschiedene Käferarten haben ihre eigenen Verhaltensanpassungsmerkmale. Einige bilden Mistkugeln, die von der Sammelstelle gerollt und in einem Loch vergraben werden. Andere graben unterirdische Tunnel und füllen sie mit Nahrung. Und wieder andere, die den Spruch über Mohammed und Trauer kennen, leben einfach in Misthaufen.
Die Nahrungsversorgung ist für den Käfer wichtig, allerdings nicht so sehr aus Gründen der Selbsterhaltung, sondern aus Gründen der Fürsorge für künftigen Nachwuchs. Tatsache ist, dass Mistkäferlarven in dem leben, was ihre Eltern zuvor gesammelt haben. Und je mehr Mist, also Nahrung für die Larven, desto wahrscheinlicher ist ihr Überleben.
Ich bin beim Sammeln von Informationen auf diese Formulierung gestoßen und sie klingt nicht sehr gut, insbesondere der letzte Teil:... Männchen kämpfen für Weibchen, indem sie ihre Füße an die Wände des Tunnels lehnen und ihren Gegner mit hornartigen Auswüchsen stoßen ... Einige Männchen haben keine Hörner und nehmen daher nicht an Kämpfen teil, sondern haben größere Keimdrüsen und Wachen das Weibchen im nächsten Tunnel ...
Kommen wir nun von den Texten direkt zur Recherche selbst.
Wie ich bereits erwähnt habe, formen einige Mistkäferarten Kugeln und rollen sie unabhängig von der Qualität oder Schwierigkeit der gewählten Route in einer geraden Linie in ein Lagerloch. Dieses Verhalten dieser Käfer ist uns aus zahlreichen Dokumentationen am besten bekannt. Wir wissen auch, dass Mistkäfer neben ihrer Kraft (einige Arten können das 1000-fache ihres eigenen Gewichts heben), ihren gastronomischen Vorlieben und der Pflege ihres Nachwuchses auch über eine hervorragende räumliche Orientierung verfügen. Darüber hinaus sind sie die einzigen Insekten, die nachts mithilfe der Sterne navigieren können.
In Südafrika (dem Ort der Beobachtungen) formt ein Mistkäfer, nachdem er „Beute“ gefunden hat, einen Ball und beginnt, ihn geradlinig in eine zufällige Richtung zu rollen, vor allem weg von seinen Konkurrenten, die nicht zögern, ihn mitzunehmen die Nahrung, die es erhalten hat. Damit eine Flucht effektiv ist, müssen Sie sich daher immer in die gleiche Richtung bewegen, ohne vom Kurs abzukommen.
Wie wir bereits wissen, ist die Sonne der wichtigste Bezugspunkt, aber sie ist nicht der zuverlässigste. Der Sonnenstand ändert sich im Laufe des Tages, was die Genauigkeit der Orientierung verringert. Warum fangen die Käfer nicht an, im Kreis zu laufen, die Richtung zu verwirren und alle 2 Minuten einen Blick auf die Karte zu werfen? Es ist logisch anzunehmen, dass die Sonne nicht die einzige Informationsquelle für die Orientierung im Weltraum ist. Und dann schlugen Wissenschaftler vor, dass der zweite Bezugspunkt für Käfer der Wind bzw. seine Richtung sei. Dies ist kein Alleinstellungsmerkmal, da Ameisen und sogar Kakerlaken den Wind nutzen können, um sich zurechtzufinden.
In ihrer Arbeit wollten die Wissenschaftler testen, wie Mistkäfer diese multimodalen Sinnesinformationen nutzen, wann sie lieber nach der Sonne und wann nach der Windrichtung navigieren und ob sie beide Möglichkeiten gleichzeitig nutzen. Beobachtungen und Messungen wurden in der natürlichen Umgebung der Probanden sowie unter simulierten, kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt.
Ergebnisse der Studie
In dieser Studie spielte ein Käfer dieser Art die Rolle des Hauptsubjekts Scarabaeus lamarcki, und Beobachtungen in der natürlichen Umgebung wurden auf dem Territorium der Stonehenge-Farm in der Nähe von Johannesburg (Südafrika) durchgeführt.
Bild Nr. 1: Änderungen der Windgeschwindigkeit im Tagesverlauf (А), Änderungen der Windrichtung im Laufe des Tages (В).
Vorläufige Messungen der Windgeschwindigkeit und -richtung wurden durchgeführt. Nachts war die Geschwindigkeit am niedrigsten (<0,5 m/s), stieg aber gegen Morgengrauen an und erreichte zwischen 3:11 und 00:13 Uhr (Sonnenhöhe ∼00°) einen Tageshöchstwert (70 m/s).
Die Geschwindigkeitswerte sind bemerkenswert, da sie den für die menotaktische Orientierung von Mistkäfern erforderlichen Schwellenwert von 0,15 m/s überschreiten. In diesem Fall fällt die maximale Windgeschwindigkeit zur Tageszeit mit der höchsten Aktivität der Käfer zusammen Scarabaeus lamarcki.
Die Käfer rollen ihre Beute über eine ziemlich große Distanz geradlinig vom Sammelpunkt weg. Im Durchschnitt dauert die gesamte Strecke 6.1 ± 3.8 Minuten. Deshalb müssen sie während dieser Zeit der Route so genau wie möglich folgen.
Wenn wir über die Windrichtung sprechen, dann beträgt die durchschnittliche Änderung der Windrichtung während der Zeit maximaler Aktivität der Käfer (von 06:30 bis 18:30 Uhr) während eines Zeitraums von 6 Minuten nicht mehr als 27.0°.
Durch die Kombination von Daten über Windgeschwindigkeit und -richtung im Laufe des Tages gehen Wissenschaftler davon aus, dass solche Wetterbedingungen für die multimodale Navigation von Käfern ausreichen.
Bild #2
Es ist Zeit zu beobachten. Um den möglichen Einfluss des Windes auf die räumlichen Orientierungseigenschaften von Mistkäfern zu testen, wurde eine kreisförmige „Arena“ mit Futter in der Mitte geschaffen. Die Käfer konnten die von ihnen geformten Kugeln in Gegenwart eines kontrollierten, stabilen Luftstroms mit einer Geschwindigkeit von 3 m/s frei von der Mitte aus in jede Richtung rollen. Diese Tests wurden an klaren Tagen durchgeführt, an denen der Sonnenstand im Laufe des Tages wie folgt schwankte: ≥75° (hoch), 45–60° (mittel) und 15–30° (tief).
Änderungen der Luftströmung und des Sonnenstandes können sich zwischen zwei Käferbesuchen um bis zu 180° ändern (2А). Es ist auch zu bedenken, dass Käfer nicht an Sklerose leiden und sich daher nach dem ersten Besuch an die von ihnen gewählte Route erinnern. In diesem Wissen berücksichtigen Wissenschaftler Änderungen des Austrittswinkels aus der Arena beim anschließenden Eintritt des Käfers als einen der Indikatoren für den Orientierungserfolg.
Bei einer Sonnenhöhe von ≥75° (hoch) gruppierten sich die Azimutänderungen als Reaktion auf eine 180°-Änderung der Windrichtung zwischen dem ersten und zweiten Satz um 180° (P < 0,001, V-Test) mit einer mittleren Änderung von 166.9 ± 79.3 ° (2B). In diesem Fall verursachte eine Änderung des Sonnenstandes (es wurde ein Spiegel verwendet) um 180° eine subtile Reaktion von 13,7 ± 89,1° (unterer Kreis an). 2B).
Interessanterweise blieben die Käfer bei mittleren und niedrigen Sonnenständen trotz Änderungen der Windrichtung auf ihrer Route – durchschnittliche Höhe: -15,9 ± 40,2°; P < 0,001; niedrige Höhe: 7,1 ± 37,6°, P < 0,001 (2C и 2D). Eine Änderung der Richtung der Sonnenstrahlen um 180° hatte jedoch die gegenteilige Reaktion, nämlich eine radikale Änderung der Flugrichtung des Käfers – durchschnittliche Höhe: 153,9 ± 83,3°; niedrige Höhe: −162 ± 69,4°; P < 0,001 (untere Kreise in 2А, 2S и 2D).
Vielleicht wird die Orientierung nicht vom Wind selbst, sondern von Gerüchen beeinflusst. Um dies zu testen, wurden einer zweiten Gruppe von Testkäfern die distalen Antennensegmente entfernt, die für ihren Geruchssinn verantwortlich sind. Die von diesen Käfern gezeigten Routenänderungen als Reaktion auf 180°-Änderungen der Windrichtung häuften sich immer noch deutlich um 180°. Mit anderen Worten: Es gibt praktisch keinen Unterschied im Grad der Orientierung zwischen Käfern mit und ohne Geruchssinn.
Eine Zwischenschlussfolgerung ist, dass Mistkäfer Sonne und Wind als Orientierungshilfe nutzen. In diesem Fall wurde unter kontrollierten Laborbedingungen festgestellt, dass bei hohen Sonnenhöhen der Windkompass gegenüber dem Sonnenkompass dominiert, sich die Situation jedoch zu ändern beginnt, wenn sich die Sonne dem Horizont nähert.
Diese Beobachtung weist darauf hin, dass es ein dynamisches multimodales Kompasssystem gibt, bei dem sich die Interaktion zwischen den beiden Modalitäten je nach sensorischen Informationen ändert. Das heißt, der Käfer navigiert zu jeder Tageszeit und verlässt sich dabei auf die zuverlässigste Informationsquelle zu diesem bestimmten Zeitpunkt (die Sonne steht tief – die Sonne ist eine Referenz; die Sonne steht hoch – der Wind ist eine Referenz).
Als nächstes beschlossen die Wissenschaftler zu prüfen, ob der Wind den Käfern bei der Orientierung hilft oder nicht. Zu diesem Zweck wurde eine Arena mit einem Durchmesser von 1 m mit Futter in der Mitte vorbereitet. Insgesamt machten die Käfer 20 Sonnenuntergänge bei hohem Sonnenstand: 10 bei Wind und 10 ohne Wind (2F).
Wie erwartet erhöhte der Wind die Orientierungsgenauigkeit der Käfer. Es wird darauf hingewiesen, dass in frühen Beobachtungen der Genauigkeit des Sonnenkompasses die Änderung des Azimuts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sätzen bei einem hohen Sonnenstand (>75°) im Vergleich zu einem niedrigeren Stand (<60°) verdoppelt wird.
Wir erkannten also, dass der Wind eine wichtige Rolle bei der Orientierung von Mistkäfern spielt und die Ungenauigkeiten des Sonnenkompasses ausgleicht. Doch wie sammelt ein Käfer Informationen über Windgeschwindigkeit und -richtung? Das offensichtlichste ist natürlich, dass dies über die Antennen geschieht. Um dies zu überprüfen, führten Wissenschaftler Tests in Innenräumen bei einem konstanten Luftstrom (3 m/s) durch, an denen zwei Käfergruppen beteiligt waren – mit und ohne Antennen (3A).
Bild #3
Das Hauptkriterium für die Orientierungsgenauigkeit war die Änderung des Azimuts zwischen zwei Anflügen, wenn sich die Luftströmungsrichtung um 180° änderte.
Die Bewegungsrichtungsänderungen von Käfern mit Fühlern waren im Gegensatz zu Käfern ohne Fühler um 180° gehäuft. Darüber hinaus betrug die mittlere absolute Änderung des Azimuts bei Käfern ohne Antennen 104,4 ± 36,0°, was sich stark von der absoluten Änderung bei Käfern mit Antennen unterscheidet – 141,0 ± 45,0° (Grafik in 3V). Das heißt, Käfer ohne Antennen könnten im Wind nicht normal navigieren. Sie konnten sich jedoch immer noch gut an der Sonne orientieren.
Auf dem Bild 3А zeigt einen Testaufbau, um die Fähigkeit der Käfer zu testen, Informationen aus verschiedenen Sinnesmodalitäten zu kombinieren, um ihre Route anzupassen. Dazu wurden beim ersten Anflug beide Landmarken (Wind + Sonne) bzw. beim zweiten nur eine Landmarke (Sonne oder Wind) in den Test einbezogen. Auf diese Weise wurden Multimodalität und Unimodalität verglichen.
Beobachtungen zeigten, dass sich Änderungen in der Bewegungsrichtung der Käfer nach dem Übergang von einer multimodalen zu einer unimodalen Landmarke um 0° konzentrierten: nur Wind: −8,2 ± 64,3°; Nur Sonne: 16,5 ± 51,6° (Grafiken in der Mitte und rechts). 3C).
Dieses Orientierungsmerkmal unterschied sich nicht von dem, das bei Vorhandensein von zwei (Sonne + Wind)-Landmarken erhalten wurde (Grafik links in 3S).
Dies deutet darauf hin, dass ein Käfer unter kontrollierten Bedingungen einen Orientierungspunkt verwenden kann, wenn der zweite nicht genügend Informationen liefert, d. h. die Ungenauigkeit eines Orientierungspunkts mit dem zweiten ausgleichen kann.
Wenn Sie denken, dass die Wissenschaftler hier aufgehört haben, dann ist das nicht so. Als nächstes galt es zu prüfen, wie gut die Käfer Informationen über einen der Orientierungspunkte speichern und ob sie diese in Zukunft als Ergänzung nutzen. Zu diesem Zweck wurden 4 Anflüge durchgeführt: Beim ersten gab es 1 Orientierungspunkt (die Sonne), beim zweiten und dritten wurde ein Luftstrom hinzugefügt und beim vierten gab es nur einen Luftstrom. Es wurde auch ein Test durchgeführt, bei dem die Orientierungspunkte in umgekehrter Reihenfolge waren: Wind, Sonne + Wind, Sonne + Wind, Sonne.
Eine vorläufige Theorie besagt, dass Käfer, wenn sie Informationen über beide Orientierungspunkte in derselben räumlichen Gedächtnisregion im Gehirn speichern können, beim ersten und vierten Besuch dieselbe Richtung beibehalten sollten, d. h. Änderungen der Bewegungsrichtung sollten sich um 0° konzentrieren.
Bild #4
Die gesammelten Daten zur Azimutänderung während des ersten und vierten Laufs bestätigten die obige Annahme (4A), die durch Modellierung weiter bestätigt wurde, deren Ergebnisse in Grafik 4C (links) dargestellt sind.
Als zusätzliche Kontrolle wurden Tests durchgeführt, bei denen der Luftstrom durch einen ultravioletten Fleck ersetzt wurde (4B und 4C rechts). Die Ergebnisse waren nahezu identisch mit denen der Sonnen- und Luftströmungstests.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Die Kombination von Ergebnissen aus Experimenten in natürlichen und kontrollierten Umgebungen zeigte, dass bei Mistkäfern visuelle und mechanosensorische Informationen in einem gemeinsamen neuronalen Netzwerk zusammenlaufen und als Momentaufnahme eines multimodalen Kompasses gespeichert werden. Ein Vergleich der Wirksamkeit der Verwendung von Sonne oder Wind als Referenz zeigte, dass Käfer dazu neigten, die Referenz zu verwenden, die ihnen mehr Informationen lieferte. Der zweite wird als Ersatz oder Ergänzung verwendet.
Dies mag für uns wie eine sehr alltägliche Sache erscheinen, aber vergessen Sie nicht, dass unser Gehirn viel größer ist als das eines kleinen Käfers. Aber wie wir gelernt haben, sind selbst die kleinsten Lebewesen zu komplexen mentalen Prozessen fähig, denn in der Wildnis hängt Ihr Überleben entweder von Stärke oder Intelligenz ab, und meistens von einer Kombination aus beidem.
Freitag Off-Top:
Sogar Käfer kämpfen um Beute. Und es spielt keine Rolle, dass die Beute ein Mistball ist.
(BBC Earth, David Attenborough)
Danke fürs Lesen, bleibt neugierig und habt ein tolles Wochenende, Leute! 🙂
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Source: habr.com