쇠똥구리용 GPS: 다중 모드 방향 시스템

우리가 묻거나 대답하려고 했던 질문이 있습니다. 하늘은 왜 파란색인지, 하늘에는 별이 몇 개 있는지, 누가 더 강한지, 백상어나 범고래 등이 있습니다. 그리고 우리가 묻지 않은 질문도 있지만 그렇다고 해서 대답이 덜 흥미로워지는 것은 아닙니다. 이러한 질문에는 다음이 포함됩니다. Lund(스웨덴), Witwatersrand(남아프리카), 스톡홀름(스웨덴) 및 Würzburg(독일) 대학의 과학자들이 결합한 것이 그토록 중요한 것은 무엇입니까? 이것은 아마도 매우 중요하고 복잡하며 믿을 수 없을 만큼 유용한 것일 것입니다. 글쎄, 이것에 대해 확실히 말하기는 어렵지만, 쇠똥구리가 우주에서 어떻게 이동하는지에 대한 것은 확실히 매우 흥미 롭습니다. 언뜻보기에 여기에있는 모든 것은 사소하지만 우리 세상은 보이는 것만큼 단순하지 않은 것들로 가득 차 있으며 쇠똥구리가 이에 대한 증거입니다. 그렇다면 쇠똥구리의 내비게이션 시스템의 독특한 점은 무엇이며, 과학자들은 이를 어떻게 테스트했으며, 경쟁은 그것과 어떤 관련이 있습니까? 우리는 연구 그룹의 보고서에서 이러한 질문과 기타 질문에 대한 답변을 찾을 수 있습니다. 가다.

주인공

우선, 이 연구의 주인공을 알아가는 것이 좋습니다. 그는 강하고, 열심히 일하고, 끈기있고, 잘생겼고, 배려심이 깊습니다. 풍뎅이과 상과에 속하는 쇠똥구리입니다.

배설물 딱정벌레는 미식 선호도 때문에 그다지 매력적이지 않은 이름을 얻었습니다. 한편으로 이것은 약간 역겹지만 쇠똥구리에게는 훌륭한 영양소 공급원이므로 이 가족의 대부분의 종은 다른 식량 공급원이나 심지어 물도 필요하지 않습니다. 유일한 예외는 지네를 먹는 것을 좋아하는 Deltochilum valgum 종입니다.

배설물 딱정벌레의 유행은 남극 대륙을 제외한 모든 대륙에 살기 때문에 대부분의 다른 생물들이 부러워합니다. 서식지는 시원한 숲부터 뜨거운 사막까지 다양합니다. 분명히, 식량 생산을 위한 “공장”인 동물 서식지에서 쇠똥구리가 많이 밀집되어 있는 것을 찾는 것이 더 쉽습니다. 쇠똥구리는 미래를 위해 식량을 저장하는 것을 선호합니다.

쇠똥구리와 그들의 생활 방식의 복잡성에 관한 짧은 비디오(BBC, David Attenborough).

다양한 종의 딱정벌레는 고유한 행동 적응 특성을 가지고 있습니다. 일부는 분뇨 덩어리를 형성하는데, 이는 수거 장소에서 굴려 구덩이에 묻힙니다. 다른 사람들은 지하에 터널을 파서 음식을 채웁니다. 그리고 무함마드와 슬픔에 대한 속담을 아는 또 다른 사람들은 단지 똥더미 속에 살고 있습니다.

딱정벌레에게는 식량 공급이 중요하지만 자기 보존의 이유가 아니라 미래의 자손을 돌보는 이유로 중요합니다. 사실 배설물 딱정벌레 유충은 부모가 이전에 수집한 곳에 살고 있습니다. 그리고 거름, 즉 유충의 먹이가 많을수록 생존 가능성이 높아집니다.

정보를 수집하는 과정에서 이 공식을 접했는데, 별로 좋은 것 같지는 않습니다. 특히 마지막 부분은 더욱 그렇습니다.... 수컷은 암컷을 위해 싸우며 터널 벽에 발을 기대고 뿔 모양의 성장으로 상대를 밀어냅니다. 일부 수컷은 뿔이 없어 전투에 참여하지 않지만 생식선과 보호 장치가 더 큽니다. 다음 터널의 여자...

자, 가사에서 바로 연구 자체로 넘어가겠습니다.

앞서 언급했듯이 일부 쇠똥구리 종은 선택한 경로의 질이나 난이도에 관계없이 공을 형성하여 직선으로 굴려 저장 구멍에 넣습니다. 수많은 다큐멘터리 덕분에 우리가 가장 잘 알고 있는 것은 딱정벌레의 이러한 행동입니다. 우리는 또한 힘(일부 종은 자신의 체중의 1000배를 들어올릴 수 있음), 미식 선호도 및 자손에 대한 보살핌 외에도 쇠똥구리가 뛰어난 공간적 방향성을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 더욱이 그들은 밤에 별을 이용해 길을 찾을 수 있는 유일한 곤충입니다.

남아프리카(관찰 위치)에서는 "먹이"를 발견한 쇠똥구리가 공을 형성하고 임의의 방향으로 직선으로 굴리기 시작합니다. 가장 중요한 것은 주저하지 않고 빼앗는 경쟁자로부터 멀어지는 것입니다. 얻은 음식. 따라서 탈출이 효과적이려면 진로를 벗어나지 않고 항상 같은 방향으로 움직여야 한다.

우리가 이미 알고 있듯이 태양은 주요 기준점이지만 가장 신뢰할 수 있는 것은 아닙니다. 태양의 높이는 하루 종일 변하기 때문에 방향의 정확성이 떨어집니다. 왜 딱정벌레들은 원을 그리며 뛰기 시작하고, 방향을 헷갈리며 2분마다 지도를 확인하지 않는 걸까요? 태양이 공간 방향에 대한 유일한 정보 소스가 아니라고 가정하는 것이 논리적입니다. 그리고 과학자들은 딱정벌레의 두 번째 기준점이 바람, 아니 그 방향이라고 제안했습니다. 개미와 심지어 바퀴벌레도 바람을 이용하여 길을 찾을 수 있기 때문에 이것은 독특한 특징이 아닙니다.

그들의 연구에서 과학자들은 쇠똥구리가 이 다중 모드 감각 정보를 어떻게 사용하는지, 태양 방향과 바람 방향으로 탐색하는 것을 선호하는지, 그리고 두 옵션을 동시에 사용하는지 여부를 테스트하기로 결정했습니다. 관찰과 측정은 피험자의 자연 환경뿐만 아니라 시뮬레이션되고 통제된 실험실 조건에서 이루어졌습니다.

연구 결과

본 연구에서는 해당 종의 딱정벌레가 주대상의 역할을 맡았다. 스카라베우스 라마르키, 남아프리카 공화국 요하네스버그 인근 스톤헨지 농장 영토에서 자연 환경 관찰이 수행되었습니다.

이미지 번호 1 : 낮 동안의 풍속 변화 (А), 낮 동안 풍향의 변화 (В).

풍속과 풍향에 대한 예비 측정이 수행되었습니다. 밤에는 속도가 가장 낮았으나(0,5m/s 미만) 새벽에 가까워질수록 증가하여 3시에서 11시 사이(태양 고도 ~00°)에 일일 최고점(13m/s)에 도달했습니다.

속도 값은 배설물 딱정벌레의 menotactic 방향에 필요한 0,15m/s의 임계값을 초과하기 때문에 주목할 만합니다. 이 경우 최대 풍속은 하루 중 딱정벌레의 최대 활동과 일치합니다. 스카라베우스 라마르키.

딱정벌레는 수집 지점에서 상당히 먼 거리까지 직선으로 먹이를 굴립니다. 평균적으로 전체 경로에는 6.1 ± 3.8분이 소요됩니다. 따라서 이 기간 동안 그들은 가능한 한 정확하게 경로를 따라야 합니다.

풍향에 대해 이야기하면 딱정벌레의 최대 활동 기간(06:30~18:30) 동안 6분 동안 풍향의 평균 변화는 27.0°를 넘지 않습니다.

하루 종일 풍속과 풍향에 대한 데이터를 결합함으로써 과학자들은 그러한 기상 조건이 딱정벌레의 다중 모드 항해에 충분하다고 믿습니다.

이미지 #2

관찰할 시간입니다. 쇠똥구리의 공간 방향 특성에 바람이 미칠 수 있는 영향을 테스트하기 위해 중앙에 음식이 있는 원형 "경기장"을 만들었습니다. 딱정벌레는 3m/s의 속도로 제어되고 안정적인 공기 흐름이 있는 경우 중앙에서 어떤 방향으로든 형성된 공을 자유롭게 굴릴 수 있었습니다. 이 테스트는 하루 종일 태양 고도가 ≥75°(높음), 45~60°(중간), 15~30°(낮음)로 변하는 맑은 날에 수행되었습니다.

두 번의 딱정벌레 방문 사이에 공기 흐름과 태양 위치의 변화는 최대 180°까지 바뀔 수 있습니다(2А). 딱정벌레는 경화증을 앓지 않으므로 첫 방문 후에 선택한 경로를 기억한다는 사실도 고려해 볼 가치가 있습니다. 이를 알고 과학자들은 딱정벌레가 이후에 입장하는 동안 경기장에서 나가는 각도의 변화를 오리엔테이션 성공의 지표 중 하나로 고려합니다.

태양 고도가 ≥75°(높음)인 경우 첫 번째 세트와 두 번째 세트 사이의 풍향 180° 변화에 대한 방위각 변화는 180 ± 0,001의 평균 변화로 166.9° 주변에 집중되었습니다(P < 79.3, V 테스트). ° (2B). 이 경우 태양(거울 사용)의 위치가 180° 변경되면 13,7 ± 89,1°의 미묘한 반응이 발생했습니다(그림의 아래쪽 원). 2B).

흥미롭게도 중간 및 낮은 태양 고도에서 풍향의 변화에도 불구하고 딱정벌레는 경로를 고수했습니다. 평균 고도: -15,9 ± 40,2°; P <0,001; 낮은 고도: 7,1 ± 37,6°, P < 0,001 (2C и 2D). 그러나 태양 광선의 방향을 180° 바꾸면 반대 반응이 나타났습니다. 즉, 딱정벌레의 경로 방향에 급격한 변화가 있었습니다. 평균 키는 153,9 ± 83,3°였습니다. 낮은 고도: −162 ± 69,4°; P < 0,001(아래쪽 원) 2А, 2S и 2D).

아마도 방향은 바람 자체가 아니라 냄새의 영향을 받는 것 같습니다. 이를 테스트하기 위해 테스트 딱정벌레의 두 번째 그룹에서는 후각을 담당하는 말단 더듬이 부분을 제거했습니다. 이 딱정벌레가 나타내는 풍향의 180° 변화에 따른 경로 변경은 여전히 ​​180° 주위에 상당히 밀집되어 있습니다. 즉, 후각이 있는 딱정벌레와 없는 딱정벌레의 방향성 정도에는 사실상 차이가 없습니다.

중간 결론은 쇠똥구리가 태양과 바람을 자신의 방향으로 사용한다는 것입니다. 이 경우 통제된 실험실 조건 하에서 높은 태양 고도에서는 풍향 나침반이 태양 나침반보다 우세하지만 태양이 수평선에 접근하면 상황이 바뀌기 시작하는 것으로 나타났습니다.

이 관찰은 감각 정보에 따라 두 양식 간의 상호 작용이 변경되는 동적 다중 모드 나침반 시스템이 있음을 나타냅니다. 즉, 딱정벌레는 특정 순간에 가장 신뢰할 수 있는 정보 소스에 의존하여 하루 중 언제든지 탐색합니다(해가 낮음 - 태양이 참조, 해가 높음 - 바람이 참조임).

다음으로, 과학자들은 바람이 딱정벌레의 방향을 잡는 데 도움이 되는지 여부를 확인하기로 결정했습니다. 이를 위해 직경 1m 규모의 경기장을 마련하고 중앙에 음식을 배치했다. 전체적으로 딱정벌레는 태양의 높은 위치에서 20번의 일몰을 만들었습니다. 바람이 불 때 10번, 바람이 없을 때 10번(2F).

예상대로 바람이 있으면 딱정벌레의 방향 정확도가 높아졌습니다. 태양 나침반 정확도에 대한 초기 관찰에서 두 개의 연속 세트 사이의 방위각 변화는 낮은 위치(<75°)에 비해 높은 태양 위치(>60°)에서 두 배가 됩니다.

그래서 우리는 바람이 쇠똥구리의 방향을 정하는 데 중요한 역할을 하며 태양 나침반의 부정확성을 보상한다는 것을 깨달았습니다. 그러면 딱정벌레는 풍속과 풍향에 관한 정보를 어떻게 수집합니까? 물론 가장 확실한 것은 이것이 안테나를 통해 일어난다는 것입니다. 이를 검증하기 위해 과학자들은 안테나가 있거나 없는 두 그룹의 딱정벌레가 참여하여 일정한 공기 흐름(3m/s)으로 실내에서 테스트를 수행했습니다.3A).

이미지 #3

방향 정확도의 주요 기준은 공기 흐름 방향이 180° 변경될 때 두 접근 사이의 방위각 변화였습니다.

더듬이가 있는 딱정벌레의 이동 방향 변화는 더듬이가 없는 딱정벌레와 달리 약 180°에 집중되어 있습니다. 또한, 안테나가 없는 딱정벌레의 평균 방위각 절대 변화는 104,4 ± 36,0°였으며, 이는 더듬이가 있는 딱정벌레의 절대 변화인 141,0 ± 45,0°와 매우 다릅니다(그래프 3V). 즉, 더듬이가 없는 딱정벌레는 바람 속에서 정상적으로 항해할 수 없었습니다. 그러나 그들은 여전히 ​​태양 아래서 잘 항해할 수 있었습니다.

이미지에 3А 다양한 감각 양상의 정보를 결합하여 경로를 조정하는 딱정벌레의 능력을 테스트하기 위한 테스트 설정을 보여줍니다. 이를 위해 테스트에는 첫 번째 접근 동안 두 랜드마크(바람 + 태양)가 모두 포함되었거나 두 번째 접근 동안 하나의 랜드마크(태양 또는 바람)만 포함되었습니다. 이런 식으로 다중 모드와 단일 모드를 비교했습니다.

관찰에 따르면 다중 모드에서 단일 모드 랜드마크로 전환한 후 딱정벌레의 이동 방향 변화가 약 0°에 집중된 것으로 나타났습니다. 바람만: -8,2 ± 64,3°; 태양만: 16,5 ± 51,6°(중앙과 오른쪽 그래프) 3C).

이 방향 특성은 두 개의(태양 + 바람) 랜드마크가 있을 때 얻은 것과 다르지 않았습니다(왼쪽 그래프). 3S).

이는 통제된 조건에서 두 번째 랜드마크가 충분한 정보를 제공하지 않는 경우 딱정벌레가 하나의 랜드마크를 사용할 수 있음을 시사합니다. 즉, 한 랜드마크의 부정확성을 두 번째 랜드마크로 보상합니다.

과학자들이 거기서 멈췄다고 생각한다면 그렇지 않습니다. 다음으로, 딱정벌레가 랜드마크 중 하나에 대한 정보를 얼마나 잘 저장하는지, 그리고 향후 이를 보충 자료로 사용하는지 확인해야 했습니다. 이를 위해 4가지 접근 방식이 수행되었습니다. 첫 번째에는 1개의 랜드마크(태양)가 있었고, 두 번째와 세 번째에는 공기 흐름이 추가되었으며, 네 번째에는 공기 흐름만 있었습니다. 랜드마크가 바람, 태양 + 바람, 태양 + 바람, 태양의 역순으로 테스트도 수행되었습니다.

잠정적인 이론은 딱정벌레가 뇌의 동일한 공간 기억 영역에 두 랜드마크에 대한 정보를 저장할 수 있다면 첫 번째와 네 번째 방문에서 동일한 방향을 유지해야 한다는 것입니다. 이동 방향의 변화는 0° 주위에 모여야 합니다.

이미지 #4

4차 및 4차 실행 동안 수집된 방위각 변화에 대한 데이터는 위의 가정(XNUMXA)을 확인했으며, 이는 모델링을 통해 추가로 확인되었으며 그 결과는 그래프 XNUMXC(왼쪽)에 표시되어 있습니다.

추가 점검으로 공기 흐름을 자외선 스폿(오른쪽 4B 및 4C)으로 대체하는 테스트를 수행했습니다. 결과는 태양 및 공기 흐름 테스트와 거의 동일했습니다.

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서 и 추가 자료 그에게.

커튼콜

자연 환경과 통제된 환경 모두에서 실험 결과를 종합한 결과, 쇠똥구리에서 시각 정보와 기계 감각 정보가 공통 신경망에 수렴되고 다중 모드 나침반의 스냅샷으로 저장된다는 사실이 나타났습니다. 태양이나 바람을 기준으로 사용하는 효과를 비교한 결과, 딱정벌레는 더 많은 정보를 제공하는 기준을 사용하는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 두 번째 것은 예비 또는 보완으로 사용됩니다.

이것은 우리에게 매우 흔한 일처럼 보일 수 있지만, 우리의 뇌는 작은 벌레의 뇌보다 훨씬 크다는 것을 잊지 마십시오. 그러나 우리가 배운 대로, 심지어 가장 작은 생물조차도 복잡한 정신 과정을 수행할 수 있습니다. 왜냐하면 야생에서 당신의 생존은 힘이나 지능에 달려 있고, 대부분의 경우 두 가지의 조합에 달려 있기 때문입니다.

금요일 오프탑:

딱정벌레도 먹이를 놓고 싸웁니다. 그리고 먹이가 똥덩어리라는 것도 중요하지 않습니다.
(BBC 어스, 데이비드 애튼버러)

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출처 : habr.com