GPS väetisekarjasele: multimodaalne orienteerimissüsteem

On olemas küsimusi, millele oleme esitanud või püüdnud neile vastata: miks on taevas sinine, kui palju tähti on taevas, kes on tugevam – valge hai või orka jne. Ja on olemas küsimusi, mida me pole esitanud, kuid selle vastus ei muutu vähem huvitavaks. Selliste küsimuste hulka kuulub järgmine – mida olulist otsustasid uurida Lund’i (Rootsi), Witwatersrand’i (Lõuna-Aafrika Vabariik), Stockholmi (Rootsi) ja Würzburgi (Saksamaa) ülikoolide teadlased kokku? Tõenäoliselt on see midagi väga olulist, väga keerulist ja uskumatu kasulikkusega. Noh, sellega on raske kindlalt öelda, kuid see on kindlasti väga huvitav, nimelt – kuidas navigivad ruumilises keskkonnas pattaruputajad. Esmapilgul on kõik triviaalne, kuid meie maailm on täis asju, mis pole nii lihtsad, nagu tunduvad, ja pattaruputajad tõestavad seda. Nii et mis on ainulaadne pattaruputaja navigatsioonisüsteemis, kuidas teadlased selle kontrollisid ja mida see konkurentsiga seondub? Nendele ja teistele küsimustele leiate vastused uurimisgrupi aruandest. Alustame.

Peategelane

Esiteks tasub tutvuda selle uuringu peategelasega. Ta on tugev, töökas, järjekindel, ilus ja hooliv. Ta on pattaruputaja sigaritubaka alamsugukonnast.

Pattaruputajad said oma mitte eriti atraktiivse nime oma gastronoomiliste eelistuste tõttu. Ühelt poolt on see veidi vastik, kuid pattaruputajale on see suurepärane toitaineallikas, mille tõttu enamik selle perekonna liike ei vajagi muid toidu- ja isegi veesisalduse allikaid. Ainus erand on liik Deltochilum valgum, kelle esindajad armastavad nautida paljujalgu.

Pattaruputajate levimus võib kadestada enamik teisi elusolendeid, sest nad elavad kõikidel mandritel, välja arvatud Antarktikas. Elupaikade vahemik varieerub jahedatest metsadest kuni kuumade kõrbeteni. On selge, et suurte pattaruputajate kogunemistega on lihtsam kokku puutuda loomaelupaikades, mis on nende toidu „tehased“. Pattaruputajad eelistavad tulevikuks toitu varuda.

Erinevad putukaliigid omavad oma käitumuslikke kohandumise eripärasid. Ühed vormivad loomade väljaheidetest pallikesi, mida veeretavad kogumise kohast eemale ja matavad urgudesse. Teised kaevavad maapinda tunneleid, täites need toiduga. Kolmandad, kes tunnevad vanasõna Muhammadist ja raskustest, elavad lihtsalt väljaheidete hunnikutes.

Toiduvarud on põrnikate jaoks olulised, kuid mitte ainult enda ellujäämise pärast, vaid ka tulevase järglaste hoolimise pärast. Nimelt elavad mädanenud väljaheidetes putukate vastsed, mille vanem eelnevalt kogus. Ja mida rohkem on väljaheidet, see tähendab toitu vastsetele, seda suurem on tõenäosus, et nad ellu jäävad.

Sattusin sellisele väljendusele teabe kogumise käigus ja see kõlab kuidagi ebamugavalt, eriti viimane osa:…Isased võitlevad emaste pärast, toetades jalgu tunneliseinte vastu ja sarvikujuliste kasvudega tõukavad vastast…Mõned isased ei oma sarvi ja seetõttu ei astu nad lahingusse, kuid neil on suuremad sugurakud ja nad valvavad emast naaber tunnelis…

Noh, läheme nüüd lüürikast otseselt uurimise juurde.

Nagu juba mainisin, vormivad mõned putukaliigid pallikesi ja veeretavad neid sirgjooneliselt, märkamatult marsruudi kvaliteedist ja keerukusest, urgudesse talletamiseks. Just sellise käitumisega oleme kõige paremini tuttavad tänu paljudele dokumentaalfilmidele. Samuti on teada, et peale jõu (mõned liigid suudavad tõsta kaalu, mis on 1000 korda suurem kui nende oma) ja toidueelistuste ning järglaste hoolitsuse, oskavad põrnikad suurepäraselt orienteeruda ruumis. Veelgi enam, nad on ainsad putukad, kes suudavad öösel orienteeruda tähtede abil.

Lõuna-Aafrikas (vaatluste koht) leiab põrnikas saagi, vormib pallikese ja hakkab seda suvalises suunas sirgjooneliselt veeretama, peamine on, et see oleks eemale konkurentidest, kes ei häbene temalt toitu ära võtta. Seega, et põgenemine oleks tõhus, tuleb pidevalt liikuda ühes suunas, mitte vääratuda kursilt.

Päike on peamine orientiir, nagu me juba teame, kuid see ei ole kõige usaldusväärsem. Päikese kõrgus muutub päeva jooksul, mis vähendab orientiirimise täpsust. Miks ei hakka siis putukad ringe peale ajama, segadusse minema ja iga kahe minuti tagant kaarti vaatama? On loogiline eeldada, et päike ei ole ainus teabeallikas ruumis orienteerumiseks. Siinkohal oletavad teadlased, et teiseks orientiiriks putukate jaoks on tuul, täpsemalt selle suund. See ei ole ainus eripära, kuna sipelgad ja isegi prussakad suudavad kasutada tuult tee leidmiseks.

Oma töös otsustasid teadlased uurida, kuidas sõnnikut putukad kasutavad seda multimodaalset sensoorset teavet, millal nad eelistavad orienteeruda päikese järgi ning millal tuule suuna järgi, ja kas nad kasutavad mõlemaid variante samaaegselt. Tehti tähelepanekuid ja mõõtmisi katseloomade looduslikus elupaigas, samuti kontrollitud laboritingimustes.

Uuringu tulemused

Selles uuringus mängis peamise katseisiku rolli putukas liigi Scarabaeus lamarcki, ja tähelepanekud looduslikus elupaigas viidi läbi „Stonehenge“ farmi territooriumil, mis asub lähedal Johannesburgele (Lõuna-Aafrika Vabariik).

Pilt nr 1: tuulekiirus muutused ööpäeva jooksul (A), tuule suuna muutused ööpäeva jooksul (Uues).

Tehti esialgsed mõõtmised tuule kiirusest ja suunast. Öösel oli kiirus madalaim (<0,5 m/s), kuid koidikul tõusis see, saavutades ööpäeva tipu (3 m/s) ajavahemikus 11:00 kuni 13:00 (päikese kõrgus ∼70°).

Kiirusnäitajad on tähelepanuväärsed, kuna need ületavad 0,15 m/s künnise, mis on vajalik sõnnikut putukate menotaksise orienteerumiseks. Samuti langeb tuule kiirusetipp ajaliselt kokku putukate aktiivsuse tipuga. Scarabaeus lamarcki.

Putukad veerevad oma saaki sirge joonega kogumiskoha ja piisavalt suure vahemaa vahel. Keskmiselt kulub kogu marsruudile 6,1 ± 3,8 minutit. Seega peavad nad selle ajavahemiku jooksul marsruuti järgima maksimaalselt täpselt.

Kui rääkida tuule suunast, siis putukate maksimaalse aktiivsuse perioodil (06:30–18:30) keskmine tuule suuna muutus 6-minutilise ajavahemiku jooksul ei ületa 27,0°.

Kombineerides andmete kohta tuule kiirusest ja suunast päeva jooksul, arvavad teadlased, et selliseid ilmastikutingimusi on piisavalt, et multimoidaalseks orienteerimiseks mardikate seas.

Pilt nr 2

Jälgimise aeg on saabunud. Et kontrollida tuule võimalikku mõju mädanikmardikate orienteerumise omadustele, loodi ringikujuline «areen», mille keskmes oli toit. Mardikad said vabalt veeretada oma kujundatud pallikesi igas suunas areenilt väljumiseks, kui kontrollitud stabiilne õhuvoog oli kiirusel 3 m/s. Need testid viidi läbi selgetel päevadel, mil päikesekõrgus varieerus päeva jooksul järgmiselt: ≥75° (kõrge), 45–60° (keskmine) ja 15–30° (madal).

Õhuvoolu ja päikese asendi muutused võivad varieeruda 180° kahel mardika sisenemisel (2A). Samuti tasub arvesse võtta, et sclerose ei esine mardikatel, seetõttu mäletavad nad selektiivset teed pärast esimest sisenemist. Teaduslikud uurijad arvestavad sellega, et areeni väljumise nurga muutused järgmisel mardika sisenemisel on üheks orienteerumise edukuse näitajaks.

Päikesekõrguse puhul ≥75° (kõrge) teravdati azimuti muutusi vastuseks tuule suuna muutusele 180° kahe esimese ja teise sisenemise vahel, rühmitades need ümber 180 ° (P <0,001, V-test) keskmise muutusega 166.9 ± 79.3° (2B). Samas põhjustas päikese asukoha muutmine (kasutati peeglit) 180° jooksul peent reaktsiooni 13,7 ± 89,1° (alumine ring on 2B).

. Huvi äratab, et keskmise ja madala päikesekõrguse juures hoidsid mardikad oma marsruute vaatamata tuule suuna muutustele — keskmine kõrgus: -15,9 ± 40,2 °; P < 0,001; madal kõrgus: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 (2C ja 2D). Päikesekiirte suuna muutus 180° aga tõi vastupidise reaktsiooni, st radikaalse muutuse mardika marsruudis — keskmine kõrgus: 153,9 ± 83,3°; madal kõrgus: −162 ± 69,4°; P <0,001 (alumine ring on 2A, 2С ja 2D).

Võib-olla mõjutab orienteerumist mitte tuul ise, vaid lõhnad. Selle kontrollimiseks oli teisel rühmatasetel mardikatel eemaldatud distaalsed antennide segmentid, mis vastutavad lõhna tajumise eest. Marsruudi muutused vastuseks tuule suuna muutusele 180° näitasid, et need mardikad olid endiselt oluliselt rühmitatud ümber 180°. Teisisõnu, mardikate orienteerumise astmes mardikatega, kellel on ja kellel ei ole lõhnataju, pole tegelikult erinevusi.

Vahekokkuvõte on, et sõnnikutigot kasutavad oma orienteerumises päikest ja tuult. Kontrollitud laboritingimustes leiti, et tuule kompass ületab päikese oma kõrgete päikesekõrguste korral, kuid olukord hakkab muutuma, kui päike läheneb horisondile.

See tähelepanek viitab sellele, et on olemas dünaamiline multimeedia kompassisüsteem, kus kahe modaliteedi vaheline suhtlemine muutub vastavalt sensoorsele teabele. Teisisõnu, tigud orienteeruvad igal ajal ööpäeva jooksul, toetudes hetkel kõige usaldusväärsemale teabeallikale (päike madal – suunamiseks päike; päike kõrge – suunamiseks tuul).

Edasi otsustasid teadlased kontrollida, kas tuul aitab tigude orienteerumises või mitte. Selleks valmistati ette 1 m läbimõõduga arena, kus keskmes oli toit. Kokku teostasid tigud 20 lähenemist kõrge päikesepositsiooniga: 10 koos tuulega ja 10 ilma tuuleta (2F).

Nii nagu oodati, tõstis tuule olemasolu tigude orienteerumise täpsust. Varasemates tähelepanekutes päikesekompassi täpsuse kohta täheldati, et azimuti muutumine kahe järjestikuse lähenemise vahel suureneb kahekordseks kõrge päikesepositsiooni korral (> 75°) võrreldes madalama positsiooniga (<60°).

Nii et me mõistsime, et tuul mängib oluline roll sõnnikutigude orienteerumises, kompenseerides päikesekompassi ebatäpsusi. Kuidas aga tigud koguvad teavet tuule kiirusest ja suunast? Muidugi, ilmselgelt toimub see antennide kaudu. Selle kinnitamiseks viisid teadlased läbi sulgemiskatseid konstantse õhuvoo korral (3 m/s) kahe grupiga tigudest – antennidega ja ilma nendeta (3A).

Pilt nr 3

Peamiseks orienteerumise täpsuse kriteeriumiks oli azimuti muutus kahe lähenemise vahel, kui õhuvoo suund muutus 180°.

Antenniotiga tigude suuna muutumine grouped ümber 180°, erinevalt antennideta tigudest. Lisaks oli antennidega tigude absoluutne azimuti muutus 141,0 ± 45,0°, mis erines oluliselt antennideta tigude absoluutse muutuse 104,4 ± 36,0° (diagramm on 3B). Seega ei suutnud tundladeta mardikad tuule suhtes korralikult orienteeruda. Kuid nad oskasid siiski hästi päikese järgi orienteeruda.

Pildil 3A on näidatud testiseade, et kontrollida mardikate suutlikkust kombineerida teavet erinevatest aistingute modaalidest oma marsruudi täiendamiseks. Selleks sisaldas test mõlemat suunajat (tuul + päike) esimesel lähenemisel või ainult ühte suunajat (päike või tuul) teisel. Nii võrreldi multimodaalsust ja unimodaalsust.

Tulemused näitasid, et mardikate liikumise suunda mõjutavad muutused pärast üleminekut multimodaalsuselt unimodaalsusele olid koondunud ümber 0°: ainult tuul: −8,2 ± 64,3°; ainult päike: 16,5 ± 51,6° (graafikud keskel ja paremal) 3C).

See orienteerumise iseloom ei erinenud kahest (päike + tuul) suunajast saadud tulemustest (graafik vasakul) 3C).

See näitab, et kontrollitud tingimustes võib mardikas kasutada ühte suunajat, kui teine ei paku piisavalt teavet, st ühe suunaja ebatäpsust kompenseerib teine.

Kui arvate, et teadlased sellega piirdusid, siis ei, sellega tuli veel kontrollida, kui hästi mardikad suudavad ühte suunajat meeles pidada ja kas nad kasutavad seda tulevikus täiendava infona. Selleks viidi läbi 4 lähenemist: esimeses oli 1 suunaja (päike), teises ja kolmandas lisati õhuvoog ning neljandas oli ainult õhuvoog. Viidi läbi ka test, kus suunajad olid vastupidises järjekorras: tuul, päike+tuul, päike+tuul, päike.

Esialgne teooria on see, et kui mardikad suudavad hoida teavet mõlema suunaja kohta samas ruumilise mälu piirkonnas ajus, peaksid nad säilitama sama suuna esimeses ja neljandas lähenemises, st liikumise suuna muutused peaksid koonduma umbes 0°.

Pilt nr 4

Kogutud andmed suuna muutumise kohta esimesel ja neljandal lähenemisel kinnitasid eespool nimetatud hüpoteesi (4A), mida kinnitati ka modelleerimise kaudu, mille tulemused on kujutatud graafikul 4C (vasakul).

Kuna täiendav kontroll, viidi läbi testid, kus õhuvoog asendati ultraviolettlaiku (4B ja 4C paremal). Tulemused olid peaaegu identsed katsetulemustega, kus kasutati päikest ja õhuvoogu.

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga ja täiendavate materjalidega selle juurde.

Epilog

Eksperimentide kogum nii looduslikes kui kontrollitud tingimustes näitas, et sigurisugulaste visuaalne ja mehhanosensoriline teave konvergeerub ühises närvivõrgus ja salvestatakse multimodaalsena. Päikese ja tuule suunajana kasutamise efektiivsuse võrdlus näitas, et sigurisugulased kasutavad rohkem seda suunajat, mis annab neile rohkem teavet. Teist kasutatakse varuna või täiendavana.

See võib meie jaoks tunduda üsna tavaline, kuid ei maksa unustada, et meie aju on samuti palju suurem kui väikese putuka oma. Kuid nagu me mõistsime, on isegi kõige väiksemad olendid võimelised keerukate vaimsete protsesside teostamiseks, sest metsikus looduses sõltub sinu ellujäämine kas jõust või arukusest, sageli aga mõlema kombinatsioonist.

Reede off-topic:

Aitäh tähelepanu eest, püsi uudishimulik ja nautige kõiki nädalavahetusi, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse esitamise või tuttavatele soovitamisega, 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com