Są pytania, które zadawaliśmy lub próbowaliśmy na nie odpowiedzieć: dlaczego niebo jest niebieskie, ile gwiazd jest na niebie, kto jest silniejszy — biały rekin czy orka itd. A są pytania, które nie zostały przez nas zadane, ale odpowiedź na nie wcale nie jest mniej interesująca. Do takich pytań można zaliczyć to — co takiego ważnego postanowili zbadać naukowcy z Uniwersytetu w Lund (Szwecja), Uniwersytetu Witwatersrand (Republika Południowej Afryki), Uniwersytetu w Sztokholmie (Szwecja) i Uniwersytetu w Würzburgu (Niemcy) razem wziętych? Pewnie to coś bardzo istotnego, bardzo skomplikowanego i niezwykle przydatnego. Cóż, trudno jednoznacznie to stwierdzić, ale na pewno jest to fascynujące, a dokładniej — jak żuki gnojowe orientują się w przestrzeni. Na pierwszy rzut oka wszystko wydaje się trywialne, ale nasz świat jest pełen rzeczy, które nie są tak proste, jak się wydają, a żuki gnojowe to potwierdzają. Więc co jest takiego unikalnego w systemie nawigacyjnym żuka gnojowego, jak naukowcy to sprawdzili i co ma do tego konkurencja? Na te i inne pytania znajdziemy odpowiedzi w raporcie grupy badawczej. Zaczynajmy.
Główny bohater
Na początku warto poznać głównego bohatera tego badania. On jest silny, pracowity, wytrwały, piękny i opiekuńczy. To żuk gnojowy z nadrodziny skarabeoidów.
Żuki gnojowe otrzymały swoją niezbyt atrakcyjną nazwę z powodu swoich gastronomicznych preferencji. Z jednej strony to trochę obrzydliwe, ale dla żuka gnojowego to znakomite źródło składników odżywczych, przez co większość gatunków tej rodziny nie potrzebuje innych źródeł pożywienia, a nawet wody. Jedyne wyjątek stanowi gatunek Deltochilum valgum, którego przedstawiciele lubią rozkoszować się milipedy.
Rozpowszechnienie żuków gnojowych może budzić zazdrość u wielu innych istot żywych, ponieważ zamieszkują wszystkie kontynenty, z wyjątkiem Antarktydy. Ich zasięg występowania waha się od chłodnych lasów po skąpane w słońcu pustynie. Oczywiste jest, że dużą liczbę żuków gnojowych łatwiej spotkać w miejscach, gdzie żyją zwierzęta będące „fabrykami” ich pożywienia. Żuki gnojowe wolą gromadzić pokarm na przyszłość.
Krótki film o żukach gnojowych i trudnościach ich trybu życia (BBC, David Attenborough).
Różne rodzaje chrząszczy mają swoje własne adaptacyjne cechy behawioralne. Niektóre formują kule z obornika, które toczone są od miejsca zbioru i zakopywane w norze. Inne wykopują tunele w ziemi, napełniając je pokarmem. A jeszcze inne, znające przysłowie o Mahomecie i górze, po prostu żyją w kupkach obornika.
Zasoby pokarmowe są ważne dla chrząszcza, ale nie tyle z powodów przetrwania, co z troski o przyszłe potomstwo. Chodzi o to, że larwy chrząszczy-obornikowców żyją w tym, co ich rodzice zebrali wcześniej. Im więcej obornika, a więc pokarmu dla larw, tym większa szansa na to, że przeżyją.
Natknąłem się na taką formułkę w procesie zbierania informacji, a brzmi ona jakoś niefortunnie, szczególnie ta ostatnia część:…Samce walczą o samice, opierając nogi o ściany tunelu i popychając rywala rogami… Niektóre samce nie mają rogów i dlatego nie biorą udziału w walce, ale posiadają większe gruczoły płciowe i czatują na samicę w sąsiednim tunelu…
Cóż, od lyriki przejdźmy bezpośrednio do samego badania.
Jak już wcześniej wspomniałem, niektóre gatunki chrząszczy-obornikowców formują kule i toczą je w prostych liniach, nie zwracając uwagi na jakość i trudność wybranego szlaku, do nory na przechowanie. Takie zachowanie tych chrząszczy jest nam najlepiej znane dzięki licznym filmom dokumentalnym. Wiemy również, że poza siłą (niektóre gatunki mogą podnieść ciężar 1000 razy większy od własnej wagi), preferencjami kulinarnymi i troską o potomstwo, chrząszcze-obornikowce doskonale orientują się w przestrzeni. Co więcej, są jedynymi owadami, które potrafią orientować się w nocy po gwiazdach.
W Republice Południowej Afryki (miejsce prowadzenia obserwacji) chrząszcz-obornikowiec, znajdując «zdobycz», formuje kulę i zaczyna toczyć ją w prostą linię w przypadkowym kierunku, byle dalej od rywali, którzy nie zawahają się odebrać mu zdobytej żywności. Dlatego, aby ucieczka była skuteczna, należy poruszać się w tym samym kierunku cały czas, nie zboczyć z kursu.
Słońce jest głównym punktem odniesienia, jak już wiemy, ale nie jest najpewniejsze. Wysokość słońca zmienia się w ciągu dnia, co obniża dokładność orientacji. Dlaczego więc chrząszcze nie zaczynają kręcić się w kółko, mylić kierunku i sprawdzać mapy co 2 minuty? Logicznym wydaje się założyć, że słońce nie jest jedynym źródłem informacji dla orientacji w przestrzeni. Uczestnicy badania zasugerowali, że drugim punktem odniesienia dla chrząszczy jest wiatr, a dokładniej jego kierunek. To nie jest unikalna cecha, ponieważ mrówki, a nawet karaluchy są w stanie używać wiatru do szukania drogi.
W swojej pracy naukowcy postanowili zbadać, jak chrząszcze gnojowe wykorzystują te multimodalne informacje sensoryczne, kiedy wolą orientować się według słońca, a kiedy według kierunku wiatru, i czy wykorzystują oba te warianty jednocześnie. Przeprowadzono obserwacje i pomiary w naturalnym środowisku bytowania badanych, jak również w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.
Wyniki badania
W tym badaniu głównym uczestnikiem był chrząszcz gatunku Scarabaeus lamarcki, a obserwacje w naturalnym środowisku odbywały się na farmie „Stonehenge”, niedaleko Johannesburga (RPA).
Obrazek nr 1: zmiany prędkości wiatru w ciągu doby (A), zmiany kierunku wiatru w ciągu doby (W).
Przeprowadzono wstępne pomiary prędkości i kierunku wiatru. W nocy prędkość była najniższa (<0,5 m/s), ale w pobliżu świtu rosła, osiągając dobowy szczyt (3 m/s) w okresie od 11:00 do 13:00 (wysokość słońca ∼70°).
Wartości prędkości są warte uwagi, ponieważ przekraczają próg 0,15 m/s, potrzebny do menotaktycznej orientacji chrząszczy gnojowych. Szczyt prędkości wiatru czasowo pokrywa się ze szczytem aktywności chrząszczy. Scarabaeus lamarcki.
Chrząszcze toczą swoje zdobycze w prostej linii od miejsca zbioru na znaczne odległości. Średnio cały przebieg zajmuje 6,1 ± 3,8 minuty. Zatem w ciągu tego okresu czasu muszą maksymalnie precyzyjnie przestrzegać trasy.
Jeśli chodzi o kierunek wiatru, w okresie maksymalnej aktywności chrząszczy (od 06:30 do 18:30) średnia zmiana kierunku wiatru w czasie 6 minut nie przekracza 27,0°.
Łącząc dane dotyczące prędkości i kierunku wiatru w ciągu dnia, naukowcy uznają, że takie warunki pogodowe są wystarczające do multimodalnej orientacji chrząszczy.
Obraz Nr 2
Nadszedł czas obserwacji. Aby sprawdzić możliwy wpływ wiatru na charakterystyki orientacji chrząszczy gnojowców w przestrzeni, stworzono okrągłą „arenę”, w centrum której znajdowało się pożywienie. Chrząszcze mogły swobodnie toczyć uformowane przez siebie kulki w dowolnym kierunku od centrum przy kontrolowanym, stabilnym przepływie powietrza o prędkości 3 m/s. Testy te były prowadzone w słoneczne dni, gdy wysokość słońca zmieniała się w ciągu dnia w następujący sposób: ≥75° (wysoka), 45–60° (średnia) i 15–30° (niska).
Zmiany przepływu powietrza i pozycji słońca mogą zmieniać się o 180° między dwoma przelotami chrząszcza (2A). Należy również wziąć pod uwagę fakt, że chrząszcze nie cierpią na sklerozę, więc po pierwszym przelocie zapamiętują wybraną trasę. Wiedząc o tym, naukowcy traktują zmiany kąta wyjścia z areny podczas kolejnego przelotu chrząszcza jako jeden z wskaźników skuteczności orientacji.
Przy wysokości słońca ≥75° (wysokiej) zmiany azymutu w odpowiedzi na zmianę kierunku wiatru o 180° między pierwszym a drugim przelotem były grupowane wokół 180° (P <0,001, test V) ze średnią zmianą 166,9 ± 79,3° (2B). Zmiana pozycji słońca (użyto lustra) o 180° spowodowała niewielką reakcję 13,7 ± 89,1° (dolna orbita na 2B).
Ciekawe, że przy średniej i niskiej wysokości słońca chrząszcze trzymały się swoich tras, mimo zmian kierunków wiatru — średnia wysokość: -15,9 ± 40,2°; P < 0,001; niska wysokość: 7,1 ± 37,6°, P <0,001 (2C i 2D). Zmiany kierunku promieni słonecznych o 180° miały odwrotną reakcję, powodując radykalną zmianę kierunku trasy chrząszcza — średnia wysokość: 153,9 ± 83,3°; niska wysokość: −162 ± 69,4°; P <0,001 (dolne orbity na 2A, 2С i 2D).
Możliwe, że na orientację wpływają nie tyle wiatr, ile zapachy. Aby to sprawdzić, drugiej grupie badanych chrząszczy usunięto dystalne segmenty anten, odpowiedzialne za węch. Zmiany trasy w odpowiedzi na zmianę kierunku wiatru o 180°, wykazane przez te chrząszcze, wciąż były znacząco skupione wokół 180°. Innymi słowy, różnice w stopniu orientacji między chrząszczami z węchem a bez węchu są w zasadzie nieistotne.
Wyniki pośrednie wskazują, że żuki gnojowe wykorzystują słońce i wiatr do orientacji. W kontrolowanych warunkach laboratoryjnych stwierdzono, że kompas wiatrowy przeważa nad słonecznym w przypadku wysokiego położenia słońca, jednak sytuacja zaczyna się zmieniać, gdy słońce zbliża się do horyzontu.
To obserwacja sugeruje, że mamy do czynienia z dynamicznym multimodalnym systemem kompasów, w którym interakcja między dwoma modalnościami zmienia się w zależności od informacji sensorycznej. Oznacza to, że żuk orientuje się o każdej porze dnia, polegając na najpewniejszym źródle informacji w danym momencie (słońce nisko – orientacja według słońca; słońce wysoko – orientacja według wiatru).
Następnie naukowcy postanowili sprawdzić, czy wiatr rzeczywiście pomaga w orientacji żuków. W tym celu przygotowano arenę o średnicy 1 m z pokarmem w centrum. Żuki wykonały 20 wejść przy wysokim położeniu słońca: 10 z wiatrem i 10 bez wiatru (2F).
Jak się oczekiwało, obecność wiatru zwiększała dokładność orientacji żuków. Zauważono, że w wczesnych obserwacjach dotyczących dokładności kompasu słonecznego zmiana azymutu między dwoma kolejnymi wejściami wzrasta dwukrotnie przy wysokim położeniu słońca (> 75°) w porównaniu do niższego położenia (<60°).
Zrozumieliśmy, że wiatr odgrywa ważną rolę w orientacji żuków gnojowych, kompensując niedokładności kompasu słonecznego. Ale jak żuk zbiera informacje o prędkości i kierunku wiatru? Oczywiście, najoczywistszym sposobem jest to poprzez czułki. Aby to potwierdzić, naukowcy przeprowadzili testy w pomieszczeniu przy stałym przepływie powietrza (3 m/s) z udziałem dwóch grup żuków — z czułkami i bez nich (3A).
Obraz nr 3
Podstawowym kryterium dokładności orientacji była zmiana azymutu między dwoma wejściami przy zmianie kierunku strumienia powietrza o 180°.
Zmiana kierunku ruchu żuków z czułkami została zgrupowana wokół 180°, w przeciwieństwie do żuków bez czułków. Dodatkowo, średnia bezwzględna zmiana azymutu u żuków bez czułków wyniosła 104,4 ± 36,0°, co znacznie różni się od bezwzględnej zmiany u żuków z czułkami — 141,0 ± 45,0° (wykres na 3В). To znaczy, że chrząszcze bez czułków nie mogły się prawidłowo orientować w wietrze. Jednak nadal dobrze orientowały się po słońcu.
Na obrazku 3A pokazano konfigurację testu w celu sprawdzenia zdolności chrząszczy do łączenia informacji z różnych modalności sensorycznych w celu dostosowania swojego kursu. W teście były obecne oba wskazówki (wiatr + słońce) podczas pierwszego podejścia, a podczas drugiego tylko jeden wskaźnik (słońce lub wiatr). W ten sposób porównano multimodalność i unimodalność.
Obserwacje pokazały, że zmiany kierunku ruchu chrząszczy po przejściu od wielomodalnego do unimodalnego wskaźnika koncentrowały się wokół 0°: tylko wiatr: −8,2 ± 64,3°; tylko słońce: 16,5 ± 51,6° (wykresy pośrodku i po prawej stronie na 3C).
Taki charakter orientacji nie różnił się od tego, który uzyskano przy obecności dwóch (słońce + wiatr) wskaźników (wykres po lewej stronie na 3C).
To sugeruje, że w kontrolowanych warunkach chrząszcz może korzystać z jednego wskaźnika, jeśli drugi nie dostarcza wystarczających informacji, tzn. kompensować niedokładność jednego wskaźnika drugim.
Jeśli myślisz, że naukowcy na tym się zatrzymali, to nieprawda. Następnie należało sprawdzić, jak dobrze chrząszcze przechowują informacje o jednym z wskaźników i czy wykorzystują je w przyszłości jako uzupełnienie. W tym celu przeprowadzono 4 podejścia: w pierwszym był 1 wskaźnik (słońce), w drugim i trzecim dodano strumień powietrza, a podczas czwartego był tylko strumień powietrza. Przeprowadzono również test, w którym wskaźniki były w odwrotnej kolejności: wiatr, słońce+wiatr, słońce+wiatr, słońce.
Wstępna teoria zakłada, że jeśli chrząszcze mogą przechowywać informacje o obu wskaźnikach w tej samej dziedzinie pamięci przestrzennej w mózgu, powinny zachować ten sam kierunek w pierwszym i czwartym podejściu, tzn. zmiany kierunku ruchu powinny koncentrować się wokół 0°.
Obrazek nr 4
Zebrane dane dotyczące zmian azymutu podczas pierwszego i czwartego podejścia potwierdziły powyższe założenie (4A), które dodatkowo zostało potwierdzone przez symulację, a wyniki tej symulacji są przedstawione na wykresie 4C (po lewej stronie).
Jako dodatkowe sprawdzenie przeprowadzono testy, w których strumień powietrza został zastąpiony plamą promieniowania ultrafioletowego (4B i 4C z prawej strony). Wyniki były praktycznie identyczne z wynikami testów przeprowadzonych w naturalnym świetle słonecznym oraz ze strumieniem powietrza.
Aby dokładniej zapoznać się z niuansami badania, polecam zajrzeć do i do niego.
Epilog
Zbiór wyników eksperymentów zarówno w naturalnym środowisku, jak i w kontrolowanym wykazał, że w przypadku żuków gnojowcowatych informacja wzrokowa i mechanosensoryczna łączy się w ogólnej sieci neuronowej i jest przechowywana w postaci obrazu multimodalnego kompasu. Porównanie skuteczności użycia słońca lub wiatru jako wskazówki pokazało, że żuki częściej korzystają z tego wskazania, które dostarcza im więcej informacji. Drugie stosowane jest jako zapasowe lub uzupełniające.
Może się to wydawać całkiem normalne dla nas, ale nie należy zapominać, że nasz mózg jest znacznie większy niż mózg małego żuczka. Jak się jednak przekonaliśmy, nawet najmniejsze stworzenia są zdolne do skomplikowanych procesów umysłowych, ponieważ w warunkach dzikiej przyrody przetrwanie zależy głównie od siły lub inteligencji, a najczęściej od połączenia obu.
Piątkowy offtop:
O pokarm walczą nawet żuki. I nie ma znaczenia, że ofiarą jest kulka nawozu.
(BBC Earth, David Attenborough)
Dziękuję za uwagę, pozostawajcie ciekawi i życzę wszystkim wspaniałego weekendu, ludzie! 🙂
Dziękujemy, że z nami jesteś. Czy podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz widzieć więcej interesujących materiałów? Wspieraj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów entry-level, który został stworzony przez nas dla Ciebie: (dostępne opcje z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40GB DDR4).
Dell R730xd dwa razy tańszy? Tylko u nas w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolarów! Czytaj o tym
Źródło: habr.com
