GPS sõnnikuussi jaoks: multimeedia orientatsiooni süsteem

On küsimusi, millele me oleme vastanud või vähemalt üritanud vastata: miks on taevas sinine, kui palju tähti on taevas, kes on tugevam — valge hai või kosatlane jne. Kuid on küsimusi, mida me pole kunagi küsinud, kuid mille vastus ei muutu sellest vähem huvitavaks. Üks selline küsimus on järgmine — millist olulist teemat uurivad Lund'i (Rootsi), Witwatersrandi (Lõuna-Aafrika), Stockholmi (Rootsi) ja Würzburgi (Saksamaa) ülikoolide teadlased koos? Ilmselt on see midagi väga tähtsat, üli keerulist ja uskumatult kasulikku. Seda on raske kindlalt öelda, kuid see on kindlasti väga intrigeeriv, nimelt — kuidas orienteeruvad ruumis väljakukujulised mardikad. Esmapilgul näib see triviaalne, kuid meie maailm on täis asju, mis ei ole nii lihtsad nagu tunduvad, ja väljakukujulised mardikad on selle kinnituseks. Nii et mis on kurgus, millised on nende navigatsioonisüsteemi eripära, kuidas teadlased seda kontrollisid ja kuidas seondub sellele konkurents? Neile ja teistele küsimustele leiame vastused teadusülevaates. Alustame.

Peategelane

Esiteks on oluline tutvuda uuringu peategelasega. Ta on tugev, töökas, visadust täis, ilus ja hooliv. Ta on kott-putukas, kes kuulub scarabaeoidide üleperesse.

Kott-putukate nime tagavad nende mitte just meeldivad toidueelistused. Ühest küljest on see veidi vastik, kuid kott-putuka jaoks on see suurepärane toitainete allikas, mistõttu enamik selle perekonna liike ei vaja teisi toidu- või veeaquelle. Ainsaks erandiks on liik Deltochilum valgum, mille esindajad armastavad maiustada sadulakottidega.

Kott-putukate levimus võib kadestada enamik teisi elusolendeid, kuna nad asustavad kõiki mandreid, välja arvatud Antarktika. Elupaikade ulatus varieerub jahedatest metsadest kuni kuumade kõrbeteni. On ilmselge, et kott-putukate suurt kontsentratsiooni on lihtsam leida loomade elupaikadest, mis on nende toidu „tehased“. Kott-putukad eelistavad toitu varuda tulevikuks.

Erinevatel putukaliikidel on oma käitumislike kohandumisomadused. Mõned kujundavad välja sõnnikupallid, mida nad veeretavad kaugemale kogumispaigast ja peidavad urgudesse. Teised kaevavad maapinna alla tunnelite ja täidavad need toiduga. Ja kolmandad, kes tunnevad ütlemist Muhammadist ja mäest, elavad lihtsalt sõnniku hunnikutes.

Toidvarud on tähtsad mardikatele, kuid mitte niivõrd ellujäämise pärast, kuivõrd tulevase järglase hooldamise pärast. Asi on selles, et mägra vastsed elavad selles, mida nende vanem varem kogus. Ja mida rohkem sõnnikut, mis on vastsete toit, seda suurem on tõenäosus, et nad ellu jäävad.

Jõudsin sellise sõnastuseni teabe kogumise käigus, ja see ei kõla just kuigi hästi, eriti viimane osa:…Isased võitlevad emaste pärast, toetades jalgu tunneliseinte vastu ja sarvekeste kasvudega suruvad vastast… Mõned isased ei oma sarvi ja seetõttu ei astu nad tülli, vaid neil on suuremad sugurauad ja nad valvavad emast naaber tunnelis…

Noh, jätkame nüüd otse uurimise juurde.

Nagu ma juba mainisin, moodustavad mõned sõnnikuputukate liigid pallikesi ja veavad neid otsejoones, ükskõik millise marsruudi kvaliteedist ja keerukusest hoolimata, oma pesasse hoiustamiseks. Just sellist käitumist oleme nendelt putukatel kõige paremini tundma õppinud tänu arvukatele dokumentaalfilmidele. Samuti teame, et peale jõu (mõned liigid suudavad tõsta 1000 korda oma enda kaalust enam), toiduvalikutest ja hoolitsusest järglaste eest, on sõnnikuputukad suurepärased navigeerijad. Veelgi enam, nad on ainsad putukad, kes suudavad öösel orienteeruda tähtede järgi.

Lõuna-Aafrikas (vaatluskoht) leiab sõnnikuputukas, kui ta on leidnud "saagi", palli ja hakkab seda veeretama otsejoones juhuslikus suunas, peamine on liikuda eemale konkurentidest, kes ei häbene tema saaki ära võtta. Seega, et põgenemine oleks efektiivne, tuleb pidevalt liikuda samas suunas, mitte kursilt kõrvale kalduda.

Päike on peamine orientiir, nagu me juba teame, kuid see ei ole kõige usaldusväärsem. Päikesetõusu kõrgus muutub päeva jooksul, mille tõttu orientiirmeetodite täpsus väheneb. Miks siis putukad ei hakka ringe keerama, segadusse minema ja kaarti igal teisel minutil kontrollima? On loogiline eeldada, et päike ei ole ainus teabeallikas ruumis orienteerumise jaoks. Siin oletavad teadlased, et teiseks orientiiriks on tuul, täpsemini selle suund. See ei ole ainulaadne omadus, kuna ka siklid ja isegi tarakanid suudavad tuult kasutada teed leidmiseks.

Oma töös otsustasid teadlased kontrollida, kuidas kakajõed kasutavad seda multimodaalset sensoriteavet, kui nad eelistavad orienteeruda päikese järgi ja millal tuule suuna järgi, ning kas nad kasutavad mõlemaid varianti samaaegselt. Tehti vaatlusi ja mõõtmisi katsealuste looduslikus elukeskkonnas, samuti simuleeritud kontrollitud laboris.

Uuringu tulemused

Käesolevas uuringus mängis peamise katseisiku rolli putukas, liigi Scarabaeus lamarcki, ja jälgimine looduslikes tingimustes toimus farmi „Stonehenge” territooriumil, mis asub Johannesburgist (Lõuna-Aafrika Vabariik) lähedal.

Pilt nr 1: tuule kiirusel päeva jooksul toimuvad muutused (A), tuule suuna muutused päeva jooksul (V).

Tehti eelnevaid mõõtmisi tuule kiirusest ja suunast. Öösel oli kiirus kõige madalam (<0,5 m/s), kuid varahommikul tõusis see, saavutades päeva tipu (3 m/s) ajavahemikus 11:00 kuni 13:00 (päikese kõrgus ∼70°).

Kiirusnäitajad on tähelepanuväärsed, kuna need ületavad 0,15 m/s künnist, mis on vajalik günekoloogilisele suunale prussakate orientatsiooniks. Samal ajal langeb tuule kiire tipp kokku prussakate aktiivsuse tipuga. Scarabaeus lamarcki.

Prussakad veavad oma saaki sirgjooneliselt kogumise kohast piisava kauguse peale. Keskmiselt kulub kogu marsruudile 6.1 ± 3.8 minutit. Seetõttu peavad nad selle ajavahemiku jooksul marsruuti järgima maksimaalselt täpselt.

Kuid kui rääkida tuule suunast, siis prussakate maksimaalse aktiivsuse perioodil (alates 06:30 kuni 18:30) on keskmine tuule suuna muutus 6-minutilises ajavahemikus mitte üle 27.0°.

Kombineerides tuule kiirus- ja suunainfot päeva jooksul, arvavad teadlased, et sarnased ilmastikutingimused on piisavad multimeedia suunamiseks mardikate poolt.

Pilt nr 2

Käes on vaatlusperiood. Tuule võimaliku mõju uurimiseks navigeerimistelgede omadustele loodi ümmargune "areen", mille keskel oli toit. Mardikad said vabalt veeretada enda valmistatud pallikesi igas suunas areena keskelt, kui kontrollitud stabiilse õhuvoog oli kiirusel 3 m/s. Need katsed viidi läbi selgetel päevadel, mil päikese kõrgus varieerus päeva jooksul järgmiselt: ≥75° (kõrge), 45–60° (keskmine) ja 15–30° (madal).

Õhuvoolu ja päikese asukoha muutused võivad kahe mardika sisenemise vahel varieeruda 180°.2AOluline on arvestada, et skleroos ei vaeva mardikaid, mistõttu nad mäletavad pärast esimest sisenemist valitud teed. Teadlased arvestavad teadmisega, et mardikate järgnevate sisenemiste ajal areenilt väljumise nurga muutused on edukuse näitajaks.

Kuna päike on kõrgemal kui 75° (kõrge), muutus azimuti vastus tuule suuna muutusele 180° esimesel ja teisel pudelil umbes 180 ° (P <0,001, V-test) keskmise muutusega 166,9 ± 79,3° (2B). Sellega samal ajal põhjustas päikese asendi muutmine (kasutati peeglit) 180° vaevu märgatava reaktsiooni 13,7 ± 89,1° (alumine ring 2B).

. Huvitaval kombel, kui päike oli keskmise ja madala kõrgusega, järgnesid putukad oma marsruutidele hoolimata tuule suuna muutustest — keskmine kõrgus: -15,9 ± 40,2 °; P < 0,001; madal kõrgus: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 (2C ja 2D). Kuid päikese kiirte suuna muutmine 180° põhjustas vastupidise reaktsiooni, see tähendab radikaalset muutust putuka marsruudis — keskmine kõrgus: 153,9 ± 83,3°; madal kõrgus: −162 ± 69,4°; P <0,001 (alumine ring 2A, 2C ja 2D).

Võimalik, et orientatsiooni mõjutab mitte tuul ise, vaid lõhnad. Selle kontrollimiseks eemaldati teise katserühma putukate distal segment, mis vastutab lõhna tajumise eest. Äärmuslikud muutused marsruudis vastuseks tuule suuna muutusele 180° näitasid, et need putukad olid endiselt märkimisväärselt koondunud ümber 180°. Teisisõnu, suuringud putukate orienteerumises lõhnata ja lõhnaga pole tegelikult erinevusi.

Vahekokkuvõte on, et mardikad kasutavad oma orienteerumisel päikest ja tuult. Samuti selgus kontrollitud laboritingimustes, et tuuletäpsus on ülekaalus päikese omast kõrgete päikesepositsioonide korral, kuid olukord hakkab muutuma, kui päike läheneb horisondile.

See observation indicates that a dynamic multimodal compass system is in place, where the interaction between the two modalities changes according to sensory information. This means that the beetle orients itself at any time of day, relying on the most reliable source of information at that specific moment (sun is low — sun as a reference; sun is high — wind as a reference).

Next, scientists decided to test whether the wind helps beetles orient themselves or not. For this purpose, an arena with a diameter of 1 m was prepared with food in the center. In total, the beetles made 20 approaches with the sun high in the sky: 10 with wind and 10 without wind (2F).

As expected, the presence of wind increased the accuracy of beetle orientation. It is noted that in earlier observations of the accuracy of the solar compass, the change in azimuth between two consecutive approaches doubles when the sun is high in the sky (> 75°) compared to a lower position (<60°).

Seega oleme aru saanud, et tuul mängib olulist rolli mädanikubeetade suuna määramisel, kompenseerides päikesekompassi ebatäpsusi. Kuid kuidas meeter kogub teavet tuule kiirusest ja suunast? Loomulikult toimub see kõige selgemini antennide kaudu. Selle kinnitamiseks viisid teadlased läbi katseid ruumis stabiilse õhuvooga (3 m/s), kasutades kahte rühma mardikaid — antenniga ja ilma.3A).

Pilt nr 3

Põhikriteeriumina suuna määramise täpsuse osas nähti muutust azimuti vahel kahe sissevõtmise ajal tuulevoolu suuna muutmisel 180° võrra.

Antenni omavate putukate liikumise suuna muutmine gruppeerus umbes 180° ümber, erinevalt antennideta putukatest. Lisaks oli antennideta putukate absoluutne azimuti muutumise keskmine 104,4 ± 36,0°, mis on märkimisväärselt erinev antenni omadest — 141,0 ± 45,0° (graafik on 3B). See tähendab, et antennideta putukad ei saanud tuule järgi korralikult orienteeruda. Siiski suutsid nad siiski päikese järgi hästi orienteeruda.

Pildil 3A Käesolev test näitab, kuidas putukad suudavad kombineerida teavet erinevatest meelelahutustest oma marsruudi täpsustamiseks. Selleks sisaldas test mõlemat orientiiri (tuul + päike) esimesel katsel või ainult ühte orientiiri (kas päike või tuul) teisel katsel. Nii võrreldi multimodaalsust ja unimodaalsust.

Vaatlused näitasid, et putukate liikumise suuna muutused pärast üleminekut multimodaalselt unimodaalsele orientiirile olid koondunud 0° ümber: ainult tuul: −8,2 ± 64,3°; ainult päike: 16,5 ± 51,6° (graafikud keskel ja paremal) 3C).

Selline orientatsiooni omadus ei erinenud sellest, mis saadi kahe (päike + tuul) orientiiri olemasolul (graafik vasakul) 3C).

See näitab, et kontrollitud tingimustes võib putukas kasutada ühte orientiiri, kui teine ei paku piisavalt teavet, st kompenseerida ühe orientiiri ebatäpsust teisega.

Kui arvate, et teadlased selle sellega piirdusid, siis see pole tõsi. Edasi oli vaja kontrollida, kui hästi mardikad mäletavad üht suunamärki ja kas nad kasutavad seda tulevikus lisana. Selleks viidi läbi neli katset: esimeses oli üks suunamärk (päike), teises ja kolmandas lisati õhuringlus, neljandas oli ainult õhuringlus. Viidi läbi ka test, kus suunamärgid olid vastupidises järjekorras: tuul, päike+tuul, päike+tuul, päike.

Esialgne teooria seisneb selles, et kui mardikad saavad hoida teavet mõlema suunamärgi kohta sama ruumilise mälu piirkonnas ajus, peaksid nad esimeses ja neljandas katses hoidma sama suunda, st liikumise suuna muutused peaksid rühmituma umbes 0° lähedale.

Joonis №4

Esimese ja neljanda katse käigus kogutud andmed azimuti muutuste kohta kinnitasid ülaltoodud hüpoteesi (4A), mida toetati ka modelleerimisega, mille tulemused on esitatud graafikul 4C (vasakul).

Lisaks tehti katseid, kus õhuvool asendati ultraviolettlaiguga (4B ja 4C paremal). Tulemused olid praktiliselt identsed testide tulemustega, kus kasutati päikest ja õhuvoolu.

Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata teadlaste aruannet ja täiendavad materjalid selle juurde.

Epilog

Eksperimentide tulemuste kogum nii looduslikes kui ka kontrollitud tingimustes näitas, et sööturi putukate visuaalne ja mehaaniline teave kokku langeb ühises närvivõrgus ning salvestatakse mitmekesise kompassina. Päikese või tuule kasutamise tõhususe võrdlemine suuna leidmiseks näitas, et putukad kasutavad enamasti seda suunda, mis pakub neile rohkem teavet. Teist kasutatakse pigem varuna või täiendava abivahendina.

See võib tunduda meie jaoks üsna tavalisena, kuid ärge unustage, et meie aju on palju suurem kui väikese putuka aju. Kuidas me aru saime, on isegi kõige väiksemad olendid võimelised keerukate vaimsete protsesside läbiviimiseks, sest looduses sõltub teie ellujäämine kas tugevusest või nutikusest, enamasti aga nende kahe kombinatsioonist.

Reede off-topic:

Aitäh tähelepanu eest, jääge uudishimulisteks ja suurepäraseks nädalavahetuseks, sõbrad! 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Soovite rohkem huvitavat sisu? Toetage meid tellimuse vormistamise või soovituste jagamisega sõpradele. 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: Kõik VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 südamikku) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas serverit õigesti jagada? (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku 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 Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas Luua ettevõtte tasemel infrastruktuur Dell R730xd E5-2650 v4 serveritega, mille hind on 9000 eurot, madala hinnaga?

Allikas: habr.com