GPS untuk kumbang tahi: sistem orientasi multimodal

Terdapat soalan yang kami tanya atau cuba jawab: mengapa langit biru, berapa banyak bintang di langit, siapa yang lebih kuat - jerung putih atau paus pembunuh, dll. Dan ada soalan yang kami tidak tanya, tetapi itu tidak menjadikan jawapannya kurang menarik. Soalan sedemikian termasuk yang berikut: apakah yang sangat penting yang digabungkan oleh saintis dari universiti Lund (Sweden), Witwatersrand (Afrika Selatan), Stockholm (Sweden) dan Würzburg (Jerman)? Ini mungkin sesuatu yang sangat penting, sangat kompleks dan sangat berguna. Nah, sukar untuk mengatakan dengan pasti tentang ini, tetapi ia pasti sangat menarik, iaitu, cara kumbang tahi menavigasi di angkasa. Pada pandangan pertama, segala-galanya di sini adalah remeh, tetapi dunia kita penuh dengan perkara yang tidak semudah yang kelihatan, dan kumbang tahi adalah buktinya. Jadi, apakah keunikan sistem navigasi kumbang tahi, bagaimanakah saintis mengujinya, dan apakah kaitan persaingan dengannya? Kami akan mencari jawapan kepada soalan ini dan soalan lain dalam laporan kumpulan penyelidikan. Pergi.

Protagonis

Pertama sekali, adalah wajar untuk mengenali watak utama kajian ini. Dia kuat, rajin, gigih, kacak dan penyayang. Ia adalah kumbang tahi daripada superfamili Scarabaeidae.

Kumbang tahi mendapat nama yang tidak begitu menarik kerana pilihan gastronomi mereka. Di satu pihak, ini agak kasar, tetapi untuk kumbang tahi ia merupakan sumber nutrien yang sangat baik, itulah sebabnya kebanyakan spesies keluarga ini tidak memerlukan sumber makanan lain atau air. Satu-satunya pengecualian ialah spesies Deltochilum valgum, yang wakilnya suka makan lipan.

Kelaziman kumbang tahi adalah iri hati kebanyakan makhluk hidup lain, kerana mereka hidup di semua benua kecuali Antartika. Habitatnya terdiri daripada hutan sejuk hingga padang pasir yang panas. Jelas sekali, lebih mudah untuk mencari kepekatan besar kumbang tahi di habitat haiwan yang merupakan "kilang" untuk pengeluaran makanan mereka. Kumbang tahi lebih suka menyimpan makanan untuk masa depan.

Video pendek tentang kumbang tahi dan kerumitan cara hidup mereka (BBC, David Attenborough).

Spesies kumbang yang berbeza mempunyai ciri penyesuaian tingkah laku mereka sendiri. Sesetengah membentuk bebola baja, yang digulung dari tapak pengumpulan dan dikebumikan di dalam lubang. Yang lain menggali terowong di bawah tanah, mengisinya dengan makanan. Dan yang lain, yang mengetahui pepatah tentang Muhammad dan kesedihan, hanya hidup dalam timbunan tahi.

Bekalan makanan adalah penting untuk kumbang, tetapi tidak begitu banyak untuk alasan pemeliharaan diri, tetapi untuk alasan menjaga anak masa depan. Hakikatnya ialah larva kumbang tahi hidup dalam apa yang dikumpul oleh induknya sebelum ini. Dan lebih banyak baja, iaitu, makanan untuk larva, semakin besar kemungkinan mereka untuk terus hidup.

Saya terjumpa rumusan ini dalam proses mengumpul maklumat, dan ia kedengaran tidak begitu bagus, terutamanya bahagian terakhir:... Lelaki bertarung untuk betina, meletakkan kaki mereka ke dinding terowong, dan menolak lawan mereka dengan hasil seperti tanduk ... Sesetengah lelaki tidak mempunyai tanduk dan oleh itu tidak terlibat dalam pertempuran, tetapi mempunyai gonad dan pelindung yang lebih besar. perempuan di terowong seterusnya...

Baiklah, mari kita beralih daripada lirik terus kepada penyelidikan itu sendiri.

Seperti yang saya nyatakan sebelum ini, beberapa spesies kumbang tahi membentuk bebola dan menggulungnya dalam garis lurus, tanpa mengira kualiti atau kesukaran laluan yang dipilih, ke dalam lubang simpanan. Tingkah laku kumbang inilah yang paling kita kenali terima kasih kepada banyak dokumentari. Kami juga tahu bahawa sebagai tambahan kepada kekuatan (sesetengah spesies boleh mengangkat 1000 kali berat mereka sendiri), keutamaan gastronomi dan menjaga anak mereka, kumbang tahi mempunyai orientasi spatial yang sangat baik. Lebih-lebih lagi, mereka adalah satu-satunya serangga yang mampu mengemudi pada waktu malam menggunakan bintang.

Di Afrika Selatan (lokasi pemerhatian), kumbang tahi, setelah menemui "mangsa", membentuk bola dan mula menggulungnya dalam garis lurus ke arah rawak, yang paling penting jauh dari pesaing yang tidak akan teragak-agak untuk mengambilnya. makanan yang diperolehinya. Oleh itu, untuk melarikan diri menjadi berkesan, anda perlu bergerak ke arah yang sama sepanjang masa, tanpa tergelincir.

Matahari adalah titik rujukan utama, seperti yang kita sedia maklum, tetapi ia bukanlah yang paling boleh dipercayai. Ketinggian matahari berubah sepanjang hari, yang mengurangkan ketepatan orientasi. Mengapa kumbang tidak mula berlari dalam bulatan, menjadi keliru ke arah dan menyemak peta setiap 2 minit? Adalah logik untuk mengandaikan bahawa matahari bukanlah satu-satunya sumber maklumat untuk orientasi di angkasa. Dan kemudian para saintis mencadangkan bahawa titik rujukan kedua untuk kumbang adalah angin, atau lebih tepatnya arahnya. Ini bukan ciri unik, kerana semut dan juga lipas boleh menggunakan angin untuk mencari jalan mereka.

Dalam kerja mereka, para saintis memutuskan untuk menguji bagaimana kumbang tahi menggunakan maklumat deria pelbagai mod ini, apabila mereka lebih suka menavigasi mengikut matahari dan apabila mengikut arah angin, dan sama ada mereka menggunakan kedua-dua pilihan secara serentak. Pemerhatian dan pengukuran dibuat dalam persekitaran semula jadi subjek, serta dalam simulasi, keadaan makmal terkawal.

Hasil penyelidikan

Dalam kajian ini, peranan subjek utama dimainkan oleh seekor kumbang spesies Scarabaeus lamarcki, dan pemerhatian dalam persekitaran semula jadi telah dijalankan di wilayah ladang Stonehenge, berhampiran Johannesburg (Afrika Selatan).

Imej No. 1: perubahan kelajuan angin pada siang hari (А), perubahan arah angin pada siang hari (В).

Pengukuran awal kelajuan dan arah angin telah dijalankan. Pada waktu malam, kelajuan adalah paling rendah (<0,5 m/s), tetapi meningkat lebih hampir kepada fajar, mencapai puncak harian (3 m/s) antara 11:00 dan 13:00 (ketinggian suria ~ 70°).

Nilai kelajuan adalah ketara kerana ia melebihi ambang 0,15 m/s yang diperlukan untuk orientasi menotatik kumbang tahi. Dalam kes ini, kelajuan angin puncak bertepatan pada masa hari dengan aktiviti puncak kumbang Scarabaeus lamarcki.

Kumbang menggulung mangsanya dalam garis lurus dari titik pengumpulan ke jarak yang agak jauh. Secara purata, keseluruhan laluan mengambil masa 6.1 ± 3.8 minit. Oleh itu, dalam tempoh masa ini mereka mesti mengikut laluan itu setepat mungkin.

Jika kita bercakap tentang arah angin, maka dalam tempoh aktiviti maksimum kumbang (dari 06:30 hingga 18:30), purata perubahan arah angin dalam tempoh masa 6 minit tidak lebih daripada 27.0°.

Dengan menggabungkan data mengenai kelajuan dan arah angin sepanjang hari, saintis percaya bahawa keadaan cuaca seperti itu mencukupi untuk navigasi pelbagai mod kumbang.

Imej #2

Sudah tiba masanya untuk memerhati. Untuk menguji kemungkinan pengaruh angin pada ciri orientasi spatial kumbang tahi, "arena" bulat telah dicipta dengan makanan di tengah. Kumbang bebas untuk melancarkan bola yang mereka bentuk ke mana-mana arah dari pusat dengan kehadiran aliran udara yang terkawal dan stabil pada kelajuan 3 m/s. Ujian ini dijalankan pada hari cerah apabila ketinggian matahari berubah sepanjang hari seperti berikut: ≥75° (tinggi), 45–60° (pertengahan), dan 15–30° (rendah).

Perubahan dalam aliran udara dan kedudukan matahari boleh berubah sehingga 180° antara dua lawatan kumbang (2A). Ia juga bernilai mempertimbangkan fakta bahawa kumbang tidak mengalami sklerosis, dan oleh itu selepas lawatan pertama mereka mengingati laluan yang telah mereka pilih. Mengetahui perkara ini, saintis mengambil kira perubahan dalam sudut keluar dari arena semasa kemasukan kumbang berikutnya sebagai salah satu petunjuk kejayaan orientasi.

Apabila ketinggian matahari ≥75° (tinggi), perubahan dalam azimut sebagai tindak balas kepada perubahan arah angin 180° antara set pertama dan kedua dikelompokkan sekitar 180° (ujian P <0,001, V) dengan perubahan min 166.9 ± 79.3 ° (2B). Dalam kes ini, perubahan dalam kedudukan matahari (cermin digunakan) sebanyak 180° menyebabkan tindak balas halus 13,7 ± 89,1° (bulatan bawah pada 2B).

Menariknya, pada ketinggian matahari sederhana dan rendah, kumbang melekat pada laluan mereka walaupun perubahan arah angin - ketinggian purata: -15,9 ± 40,2°; P < 0,001; altitud rendah: 7,1 ± 37,6°, P < 0,001 (2C и 2D). Tetapi menukar arah sinaran matahari sebanyak 180° mempunyai tindak balas yang bertentangan, iaitu perubahan radikal dalam arah laluan kumbang - ketinggian purata: 153,9 ± 83,3°; altitud rendah: −162 ± 69,4°; P <0,001 (bulatan bawah dalam 2A, 2S и 2D).

Mungkin orientasi tidak dipengaruhi oleh angin itu sendiri, tetapi oleh bau. Untuk menguji ini, kumpulan kedua kumbang ujian telah mengeluarkan segmen antena distal, yang bertanggungjawab untuk deria baunya. Perubahan laluan sebagai tindak balas kepada perubahan arah angin 180° yang dipamerkan oleh kumbang ini masih berkelompok dengan ketara sekitar 180°. Dalam erti kata lain, hampir tidak ada perbezaan dalam tahap orientasi antara kumbang dengan dan tanpa deria bau.

Kesimpulan perantaraan ialah kumbang tahi menggunakan matahari dan angin dalam orientasi mereka. Dalam kes ini, di bawah keadaan makmal terkawal, didapati kompas angin mendominasi kompas suria pada ketinggian matahari tinggi, tetapi keadaan mula berubah apabila matahari menghampiri ufuk.

Pemerhatian ini menunjukkan bahawa terdapat sistem kompas multimodal dinamik, di mana interaksi antara dua modaliti berubah mengikut maklumat deria. Iaitu, kumbang menavigasi pada bila-bila masa sepanjang hari, bergantung pada sumber maklumat yang paling boleh dipercayai pada saat tertentu (matahari rendah - matahari adalah rujukan; matahari tinggi - angin adalah rujukan).

Seterusnya, saintis memutuskan untuk memeriksa sama ada angin membantu dalam mengorientasikan kumbang atau tidak. Untuk tujuan ini, sebuah arena berdiameter 1 m disediakan dengan makanan di tengahnya. Secara keseluruhan, kumbang membuat 20 matahari terbenam pada kedudukan tinggi matahari: 10 dengan angin dan 10 tanpa angin (2F).

Seperti yang dijangkakan, kehadiran angin meningkatkan ketepatan orientasi kumbang. Adalah diperhatikan bahawa dalam pemerhatian awal ketepatan kompas suria, perubahan azimut antara dua set berturut-turut digandakan pada kedudukan matahari tinggi (>75°) berbanding dengan kedudukan yang lebih rendah (<60°).

Jadi, kami menyedari bahawa angin memainkan peranan penting dalam orientasi kumbang tahi, mengimbangi ketidaktepatan kompas suria. Tetapi bagaimanakah kumbang mengumpul maklumat tentang kelajuan dan arah angin? Sudah tentu, perkara yang paling jelas ialah ini berlaku melalui antena. Untuk mengesahkan ini, saintis menjalankan ujian di dalam rumah pada aliran udara tetap (3 m/s) dengan penyertaan dua kumpulan kumbang - dengan dan tanpa antena (3A).

Imej #3

Kriteria utama untuk ketepatan orientasi ialah perubahan azimut antara dua pendekatan apabila arah aliran udara berubah sebanyak 180°.

Perubahan arah pergerakan kumbang dengan antena dikelompokkan sekitar 180°, berbeza dengan kumbang tanpa antena. Di samping itu, purata perubahan mutlak dalam azimut untuk kumbang tanpa antena ialah 104,4 ± 36,0°, yang sangat berbeza daripada perubahan mutlak bagi kumbang dengan antena - 141,0 ± 45,0° (graf dalam 3V). Iaitu, kumbang tanpa antena tidak dapat mengemudi secara normal dalam angin. Walau bagaimanapun, mereka masih berorientasikan dengan baik oleh matahari.

Dalam imej 3A menunjukkan persediaan ujian untuk menguji keupayaan kumbang untuk menggabungkan maklumat daripada modaliti deria yang berbeza untuk menyesuaikan laluan mereka. Untuk melakukan ini, ujian memasukkan kedua-dua tanda tempat (angin + matahari) semasa pendekatan pertama, atau hanya satu tanda tempat (matahari atau angin) semasa yang kedua. Dengan cara ini, multimodaliti dan unimodaliti dibandingkan.

Pemerhatian menunjukkan bahawa perubahan dalam arah pergerakan kumbang selepas peralihan daripada mercu tanda berbilang kepada unimodal tertumpu sekitar 0°: angin sahaja: −8,2 ± 64,3°; matahari sahaja: 16,5 ± 51,6° (graf di tengah dan kanan 3C).

Ciri orientasi ini tidak berbeza daripada yang diperolehi dengan kehadiran dua tanda tempat (matahari + angin) (graf di sebelah kiri dalam 3S).

Ini menunjukkan bahawa, di bawah keadaan terkawal, kumbang boleh menggunakan satu mercu tanda jika yang kedua tidak memberikan maklumat yang mencukupi, iaitu, mengimbangi ketidaktepatan satu mercu tanda dengan yang kedua.

Jika anda fikir saintis berhenti di sana, maka ini tidak begitu. Seterusnya, adalah perlu untuk menyemak seberapa baik kumbang menyimpan maklumat tentang salah satu mercu tanda, dan sama ada mereka menggunakannya pada masa hadapan sebagai makanan tambahan. Untuk tujuan ini, 4 pendekatan telah dijalankan: pada yang pertama terdapat 1 mercu tanda (matahari), pada yang kedua dan ketiga aliran udara ditambah, dan semasa yang keempat hanya terdapat aliran udara. Ujian juga telah dijalankan di mana tanda tempat berada dalam susunan terbalik: angin, matahari + angin, matahari + angin, matahari.

Teori tentatif ialah jika kumbang boleh menyimpan maklumat tentang kedua-dua mercu tanda dalam kawasan memori spatial yang sama di dalam otak, maka mereka harus mengekalkan arah yang sama dalam lawatan pertama dan keempat, i.e. perubahan arah pergerakan harus berkumpul sekitar 0°.

Imej #4

Data yang dikumpul mengenai perubahan dalam azimut semasa larian pertama dan keempat mengesahkan andaian di atas (4A), yang kemudiannya disahkan melalui pemodelan, yang keputusannya digambarkan dalam graf 4C (kiri).

Sebagai pemeriksaan tambahan, ujian telah dijalankan di mana aliran udara digantikan oleh bintik ultraviolet (4B dan 4C di sebelah kanan). Hasilnya hampir sama dengan ujian aliran matahari dan udara.

Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat saintis melaporkan и Bahan tambahan kepada dia.

Epilog

Gabungan hasil daripada eksperimen dalam kedua-dua persekitaran semula jadi dan terkawal menunjukkan bahawa dalam kumbang tahi, maklumat visual dan mekanosensori berkumpul dalam rangkaian saraf biasa dan disimpan sebagai syot kilat kompas multimodal. Perbandingan keberkesanan sama ada menggunakan matahari atau angin sebagai rujukan menunjukkan bahawa kumbang cenderung menggunakan rujukan yang memberikan mereka lebih banyak maklumat. Yang kedua digunakan sebagai ganti atau pelengkap.

Ini mungkin kelihatan seperti perkara biasa bagi kita, tetapi jangan lupa bahawa otak kita jauh lebih besar daripada pepijat kecil. Tetapi, seperti yang telah kita pelajari, walaupun makhluk terkecil mampu melakukan proses mental yang kompleks, kerana di alam liar kelangsungan hidup anda bergantung pada kekuatan atau kecerdasan, dan selalunya pada gabungan kedua-duanya.

Jumaat luar atas:

Malah kumbang berebut mangsa. Dan tidak kira bahawa mangsa adalah bola tahi.
(BBC Earth, David Attenborough)

Terima kasih kerana membaca, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu guys! 🙂

Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: Keseluruhan kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Teras) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps daripada $20 atau bagaimana untuk berkongsi pelayan? (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV daripada $199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang Bagaimana untuk membina infrastruktur corp. kelas dengan penggunaan pelayan Dell R730xd E5-2650 v4 bernilai 9000 euro untuk satu sen?

Sumber: www.habr.com