フンコロガシ用の GPS: マルチモーダル オリエンテーション システム

私たちが尋ねた、または答えようとした質問があります。空はなぜ青いのか、空には星が何個あるのか、ホホジロザメとシャチのどちらが強いのか、などです。 私たちが尋ねなかった質問もありますが、だからといって答えの面白さが薄れるわけではありません。 このような疑問には次のようなものがあります。ルンド (スウェーデン)、ウィットウォータースランド (南アフリカ)、ストックホルム (スウェーデン)、ヴュルツブルク (ドイツ) 大学の科学者が組み合わせた、それほど重要なものとは何でしょうか? これはおそらく非常に重要で、非常に複雑で、信じられないほど便利なものです。 まあ、これについて確かなことを言うのは難しいですが、フンコロガシがどのように宇宙を移動するかということは間違いなく非常に興味深いものです。 一見すると、ここにあるすべては些細なことですが、私たちの世界は見た目ほど単純ではないことで満ちており、フンコロガシはそれを証明しています。 それでは、フンコロガシのナビゲーション システムの何がそんなにユニークなのでしょうか。科学者はそれをどのようにテストしたのでしょうか。また、競争はそれとどのような関係があるのでしょうか? これらの疑問やその他の疑問に対する答えは、研究グループの報告書で明らかになるでしょう。 行く。

主人公

まず第一に、この研究の主人公について知ることが重要です。 彼は強くて、勤勉で、粘り強く、ハンサムで、思いやりがあります。 コガネムシ上科のフンコロガシです。

フンコロガシは、美食の好みから、あまり魅力的ではない名前が付けられました。 一方で、これは少しひどいことですが、フンコロガシにとってはそれは優れた栄養源であり、そのためこの科のほとんどの種は他の食物源や水さえも必要としません。 唯一の例外はデルトキラム・バルガム種で、その代表者はムカデを食べるのが大好きです。

フンコロガシは南極大陸を除くすべての大陸に生息しているため、フンコロガシの蔓延は他のほとんどの生き物にとって羨望の的です。 生息地は涼しい森林から暑い砂漠まで多岐にわたります。 明らかに、食物を生産するための「工場」である動物の生息地に大量のフンコロガシが集中しているのを見つけるのは簡単です。 フンコロガシは将来のために食べ物を蓄えることを好みます。

フンコロガシとその複雑な生活様式についての短いビデオ (BBC、デイビッド アッテンボロー)。

カブトムシの種類によっては、それぞれ独自の行動適応特性があります。 いくつかは肥料の球を形成し、収集場所から転がして穴に埋めます。 地下にトンネルを掘り、そこに食べ物を詰め込む人もいます。 さらに、ムハンマドと悲しみについての格言を知っていながら、ただ糞の山の中で暮らしている人もいます。

カブトムシにとって食料は重要ですが、自己保存という理由ではなく、将来の子孫の世話をするという理由からです。 実は、フンコロガシの幼虫は、親が以前に集めたものの中に住んでいます。 そして、肥料、つまり幼虫の餌が多ければ多いほど、幼虫が生き残る可能性が高くなります。

情報収集の過程でこの公式を見つけましたが、特に最後の部分はあまり良くありません。... オスはメスをめぐって戦い、トンネルの壁に足を置き、角のような生えた生え物で相手を押します ... 一部のオスには角がなく、したがって戦闘に参加しませんが、より大きな生殖腺とガードを持っています次のトンネルにいる女性は...

さて、歌詞から直接研究そのものに移りましょう。

前に述べたように、フンコロガシの一部の種は、選択したルートの品質や難易度に関係なく、ボールを形成し、それを直線に転がして保管穴に入れます。 これらのカブトムシの行動は、数多くのドキュメンタリーのおかげで私たちが最もよく知っているものです。 また、フンコロガシは、体力（自重の 1000 倍を持ち上げることができる種もいます）、美食の好み、子孫の世話に加えて、優れた空間認識能力を持っていることもわかっています。 さらに、彼らは星を使って夜に移動できる唯一の昆虫です。

南アフリカ（観察地）では、「獲物」を見つけたフンコロガシがボールを作り、ランダムな方向に直線で転がし始めます。最も重要なことは、躊躇せずに奪おうとする競争相手から遠ざけることです。手に入れた食べ物。 したがって、脱出を効果的に行うためには、コースを外れずに常に同じ方向に進む必要があります。

すでにご存知のとおり、太陽が主な基準点ですが、最も信頼できるものではありません。 太陽の高さは 2 日を通して変化するため、方位の精度が低下します。 カブトムシが方向を迷ったり、XNUMX分おきに地図を確認したりしながら、ぐるぐると走り始めてみませんか? 太陽が宇宙の方向を知るための唯一の情報源ではないと仮定するのは論理的です。 そして科学者たちは、カブトムシの XNUMX 番目の基準点は風、あるいは風向きであると示唆しました。 アリやゴキブリでさえ風を利用して道を見つけることができるため、これは特別な特徴ではありません。

科学者らは研究の中で、フンコロガシがこの多峰性の感覚情報をどのように利用するのか、いつ太陽に従って移動することを好むのか、いつ風向きに従って移動するのか、そして両方のオプションを同時に使用するのかどうかをテストすることにした。 観察と測定は、被験者の自然環境だけでなく、シミュレートされた制御された実験室条件でも行われました。

研究成果

この研究では、主要な被写体の役割は、この種の甲虫によって演じられました。 コガネムシ・ラマルキ、自然環境での観察は、ヨハネスブルグ（南アフリカ）近くのストーンヘンジ農場の領土で行われました。

画像No.1：日中の風速の変化（А)、日中の風向きの変化(В).

風速と風向の予備測定が行われました。 夜間、速度は最低（<0,5 m/s）でしたが、夜明けに近づくにつれて増加し、3:11から00:13（太陽高度〜00°）の間に毎日の最高値（70 m/s）に達しました。

この速度値は、フンコロガシのメノタクティック配向に必要な閾値 0,15 m/s を超えているため、注目に値します。 この場合、最大風速は、カブトムシの活動のピークと一致します。 コガネムシ・ラマルキ.

カブトムシは獲物を収集地点からかなりの距離まで直線的に転がします。 平均すると、ルート全体に 6.1 ± 3.8 分かかります。 したがって、この期間中はできるだけ正確にルートをたどる必要があります。

風向きについて言えば、カブトムシの活動が最も活発になる時間帯（06:30から18:30まで）、6分間の風向の平均変化は27.0°以下です。

科学者たちは、一日を通しての風速と風向のデータを組み合わせることで、そのような気象条件はカブトムシの多様な航行に十分であると信じています。

画像 #2

観察の時間です。 フンコロガシの空間方向特性に対する風の影響の可能性をテストするために、中心に餌を置いた円形の「アリーナ」が作成されました。 カブトムシは、速度 3 m/s の制御された安定した空気流の存在下で、形成したボールを中心から任意の方向に自由に転がすことができました。 これらのテストは、太陽高度が 75 度以上（高）、45 ～ 60 度（中）、15 ～ 30 度（低）のように XNUMX 日を通して変化する晴天の日に実施されました。

気流と太陽の位置の変化は、カブトムシの 180 回の訪問の間に最大 XNUMX 度変化する可能性があります (2А）。 カブトムシは硬化症を患っていないため、最初の訪問後に選択したルートを覚えているという事実も考慮する価値があります。 これを知っている科学者は、方向転換の成功の指標の XNUMX つとして、カブトムシがその後入場する際のアリーナからの退出角度の変化を考慮に入れます。

太陽高度が 75°以上 (高い) の場合、最初と 180 番目のセットの間の風向の 180° 変化に応じた方位角の変化は 0,001° 付近に集中し (P < 166.9、V テスト)、平均変化は 79.3 ± XNUMX でした。 °(2B）。 この場合、太陽の位置が 180°変化すると (鏡を使用)、13,7 ± 89,1° の微妙な反応が生じました (図の下の円)。 2B).

興味深いことに、中程度および低い太陽高度では、風向きの変化にもかかわらず、カブトムシはそのルートに固執しました - 平均高度: -15,9 ± 40,2°。 P < 0,001; 低高度: 7,1 ± 37,6°、P < 0,001 (2C и 2D）。 しかし、太陽光線の方向を 180 度変えると、逆の反応が起こりました。つまり、甲虫の進路の方向が根本的に変わりました。平均高さ: 153,9 ± 83,3 度。 低高度: -162 ± 69,4°; P < 0,001 (図の下の丸) 2А, 2S и 2D).

おそらく、方向性は風そのものではなく、匂いによって影響されるのでしょう。 これをテストするために、テスト甲虫の 180 番目のグループでは、嗅覚を担う触角の遠位部分が除去されました。 これらの甲虫が示す風向の 180 度の変化に応じたルート変更は、依然として XNUMX 度付近にかなり集中していました。 つまり、嗅覚を持つカブトムシと嗅覚を持たないカブトムシの間では、定位の度合いにはほとんど差がありません。

中間的な結論は、フンコロガシは太陽と風を利用して方向を決めるということです。 この場合、制御された実験室条件下では、太陽高度が高い場合には風コンパスが太陽コンパスよりも優勢であることが判明しましたが、太陽が地平線に近づくと状況は変わり始めます。

この観察は、動的マルチモーダルコンパスシステムが存在し、XNUMX つのモダリティ間の相互作用が感覚情報に応じて変化することを示しています。 つまり、カブトムシは、その特定の瞬間に最も信頼できる情報源（太陽が低い - 太陽が基準、太陽が高い - 風が基準）に依存して、一日中いつでも移動します。

次に科学者たちは、風がカブトムシの方向を変えるのに役立つかどうかを確認することにしました。 この目的のために、中央に食物を備えた直径1メートルのアリーナが準備されました。 合計で、カブトムシは太陽の高い位置で 20 回の夕日を作りました。 そのうち 10 回は風があり、10 回は風がありませんでした (2F).

予想通り、風の存在によりカブトムシの方向精度が向上しました。 太陽コンパスの精度の初期の観測では、75 つの連続するセットの間の方位角の変化は、太陽の高い位置 (>60°) では、低い位置 (<XNUMX°) に比べて XNUMX 倍になることに注意してください。

そこで私たちは、風がフンコロガシの方向に重要な役割を果たし、太陽コンパスの不正確さを補っていることに気づきました。 しかし、カブトムシはどのようにして風速と風向に関する情報を収集するのでしょうか? もちろん、最も明白なことは、これがアンテナを通じて起こるということです。 これを検証するために、科学者たちは、触角がある場合とない場合の 3 つのグループの甲虫の参加を得て、屋内で一定の空気の流れ (XNUMX m/s) でテストを実施しました (3A).

画像 #3

方位精度の主な基準は、空気の流れの方向が 180°変化したときの XNUMX つのアプローチ間の方位角の変化でした。

触角のある甲虫の移動方向の変化は、触角のない甲虫とは対照的に、180°付近に集中していました。 さらに、触角のない甲虫の方位角の平均絶対変化は 104,4 ± 36,0°であり、触角のある甲虫の絶対変化である 141,0 ± 45,0° とは大きく異なります (図のグラフ)。 3V）。 つまり、触角のないカブトムシは風の中を正常に移動することができません。 しかし、それらはまだ太陽の方向を向いていました。

画像上 3А さまざまな感覚様式からの情報を組み合わせてルートを調整するカブトムシの能力をテストするためのテスト設定を示しています。 これを行うために、最初のアプローチでは両方のランドマーク (風 + 太陽) がテストに含まれ、XNUMX 回目のアプローチでは XNUMX つのランドマーク (太陽または風) のみがテストに含まれました。 このようにして、多峰性と単峰性を比較しました。

観察の結果、多峰性ランドマークから単峰性ランドマークへの移行後の甲虫の移動方向の変化は、0°付近に集中していることがわかりました。風のみ：-8,2 ± 64,3°。 太陽のみ: 16,5 ± 51,6° (グラフは中央と右) 3C).

この方位特性は、XNUMX つの (太陽 + 風) ランドマークの存在下で得られたものと変わりませんでした (図の左側のグラフ) 3S).

これは、制御された条件下で、XNUMX 番目のランドマークが十分な情報を提供しない場合、甲虫は XNUMX つのランドマークを使用できる、つまり XNUMX つのランドマークの不正確さを XNUMX 番目のランドマークで補うことができることを示唆しています。

科学者たちがそこで立ち止まったと思うなら、そうではありません。 次に、カブトムシがランドマークの 4 つに関する情報をどの程度保存しているか、そして将来それを補足として使用するかどうかを確認する必要がありました。 この目的のために、1 つのアプローチが実行されました。最初のアプローチでは XNUMX つのランドマーク (太陽) があり、XNUMX 番目と XNUMX 番目のアプローチでは空気の流れが追加され、XNUMX 番目のアプローチでは空気の流れのみが存在しました。 ランドマークが風、太陽 + 風、太陽 + 風、太陽という逆の順序になっているテストも行われました。

暫定的な理論としては、カブトムシが両方のランドマークに関する情報を脳内の同じ空間記憶領域に保存できる場合、最初と 0 回目の訪問では同じ方向を維持するはずである、というものがあります。 移動方向の変化は XNUMX° 付近に集中するはずです。

画像 #4

4 回目と 4 回目の実行中に収集された方位角の変化に関するデータは、上記の仮定 (XNUMXA) を確認し、モデリングによってさらに確認されました。その結果がグラフ XNUMXC (左) に示されています。

追加のチェックとして、空気の流れを紫外線スポットに置き換えたテストを実行しました (右の 4B と 4C)。 結果は、太陽光および空気流のテストとほぼ同じでした。

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

自然環境と管理された環境の両方での実験結果を組み合わせると、フンコロガシでは視覚情報と機械感覚情報が共通のニューラルネットワークに収束し、マルチモーダルコンパスのスナップショットとして保存されることが示されました。 太陽または風を基準として使用することの有効性を比較したところ、カブトムシはより多くの情報を提供してくれる基準を使用する傾向があることがわかりました。 XNUMX つ目は予備または補助として使用されます。

これは私たちにとって非常に一般的なことのように思えるかもしれませんが、私たちの脳は小さな虫の脳よりもはるかに大きいことを忘れないでください。 しかし、私たちが学んだように、最も小さな生き物でも複雑な精神プロセスが可能です。野生では、人間の生存は力か知性のいずれか、そしてほとんどの場合両方の組み合わせに依存するためです。

金曜日のオフトップ:

カブトムシでも獲物をめぐって争います。 そして、獲物が糞の塊であることは問題ではありません。
（BBCアース、デービッド・アッテンボロー）

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい週末をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com