Są pytania, które zadaliśmy lub próbowaliśmy odpowiedzieć: dlaczego niebo jest niebieskie, ile gwiazd jest na niebie, kto jest silniejszy - biały rekin czy orka itp. Są też pytania, których nie zadaliśmy, ale to nie czyni odpowiedzi mniej interesującą. Do takich pytań należą: co było tak ważne, że naukowcy z uniwersytetów w Lund (Szwecja), Witwatersrand (RPA), Sztokholmie (Szwecja) i Würzburgu (Niemcy) postanowili wspólnie studiować? Jest to prawdopodobnie coś bardzo ważnego, bardzo złożonego i niezwykle przydatnego. Cóż, trudno to jednoznacznie stwierdzić, ale z pewnością jest to bardzo interesujące, a mianowicie to, jak chrząszcze gnojowe poruszają się w przestrzeni. Na pierwszy rzut oka wszystko tutaj jest banalne, ale nasz świat jest pełen rzeczy, które nie są tak proste, jak się wydaje, a chrząszcze gnojowe są tego dowodem. Co więc jest takiego wyjątkowego w systemie nawigacji chrząszcza gnojowego, jak naukowcy go przetestowali i co ma z tym wspólnego konkurencja? Odpowiedzi na te i inne pytania znajdziemy w raporcie grupy badawczej. Iść.
Protagonista
Na początek warto poznać głównego bohatera tego opracowania. Jest silny, pracowity, wytrwały, przystojny i opiekuńczy. Jest to chrząszcz gnojowy z nadrodziny Scarabaeidae.
Chrząszcze gnojowe swoją niezbyt atrakcyjną nazwę zawdzięczają swoim preferencjom kulinarnym. Z jednej strony to trochę obrzydliwe, ale dla chrząszcza gnojowego jest to doskonałe źródło składników odżywczych, dlatego większość gatunków z tej rodziny nie potrzebuje innych źródeł pożywienia, a nawet wody. Jedynym wyjątkiem jest gatunek Deltochilum valgum, którego przedstawiciele uwielbiają żerować na stonogach.
Występowanie chrząszczy gnojowych jest przedmiotem zazdrości większości innych żywych stworzeń, ponieważ żyją na wszystkich kontynentach z wyjątkiem Antarktydy. Siedlisko rozciąga się od chłodnych lasów po gorące pustynie. Oczywiście łatwiej jest znaleźć duże skupiska chrząszczy gnojowych w siedliskach zwierząt, które są „fabrykami” produkcji ich pożywienia. Chrząszcze gnojowe wolą przechowywać żywność na przyszłość.
Krótki film o chrząszczach gnojowych i złożoności ich trybu życia (BBC, David Attenborough).
Różne gatunki chrząszczy mają swoje własne cechy adaptacji behawioralnej. Niektóre tworzą kulki obornika, które są zwijane z miejsca zbiórki i zakopywane w dołku. Inni kopią podziemne tunele, wypełniając je jedzeniem. A jeszcze inni, którzy znają powiedzenie o Mahomecie i żałobie, po prostu żyją w kupie łajna.
Zapasy pożywienia są dla chrząszcza ważne, ale nie tyle ze względów samozachowawczych, ile ze względu na opiekę nad przyszłym potomstwem. Faktem jest, że larwy chrząszcza gnojowego żyją w tym, co zebrał wcześniej ich rodzic. Im więcej nawozu, czyli pożywienia dla larw, tym większe prawdopodobieństwo, że przeżyją.
Zbierając informacje natknąłem się na takie sformułowanie i nie brzmi ono zbyt dobrze, zwłaszcza ostatnia część:... Samce walczą o samice, opierając stopy o ściany tunelu i popychając przeciwnika rogowymi wyrostkami ... Niektóre samce nie mają rogów i dlatego nie biorą udziału w walce, ale mają większe gonady i osłonę kobieta w następnym tunelu...
No cóż, przejdźmy od tekstów bezpośrednio do samych badań.
Jak wspomniałem wcześniej, niektóre gatunki chrząszczy gnojowych formują kulki i toczą je w linii prostej, niezależnie od jakości i trudności wybranej trasy, do otworu magazynowego. To właśnie takie zachowanie tych chrząszczy znamy najlepiej z licznych filmów dokumentalnych. Wiemy też, że oprócz siły (niektóre gatunki potrafią unieść 1000 razy większą wagę), preferencji gastronomicznych i opieki nad potomstwem, chrząszcze gnojowe charakteryzują się doskonałą orientacją przestrzenną. Co więcej, są to jedyne owady, które potrafią nawigować w nocy, korzystając z gwiazd.
W Republice Południowej Afryki (miejsce obserwacji) chrząszcz gnojowy po znalezieniu „ofiary” formuje kulkę i zaczyna ją toczyć po linii prostej w losowym kierunku, co najważniejsze z dala od konkurentów, którzy nie zawahają się zabrać żywność, którą zdobył. Dlatego, aby ucieczka była skuteczna, należy cały czas poruszać się w tym samym kierunku, nie zbaczając z kursu.
Słońce jest głównym punktem odniesienia, jak już wiemy, ale nie jest on najbardziej niezawodny. Wysokość słońca zmienia się w ciągu dnia, co zmniejsza dokładność orientacji. Dlaczego chrząszcze nie zaczną biegać w kółko, mylić kierunek i sprawdzać mapę co 2 minuty? Logiczne jest założenie, że słońce nie jest jedynym źródłem informacji umożliwiających orientację w przestrzeni. I wtedy naukowcy zasugerowali, że drugim punktem odniesienia dla chrząszczy jest wiatr, a raczej jego kierunek. Nie jest to wyjątkowa cecha, ponieważ mrówki, a nawet karaluchy potrafią wykorzystywać wiatr, aby znaleźć drogę.
W swojej pracy naukowcy postanowili sprawdzić, w jaki sposób chrząszcze gnojowe wykorzystują tę multimodalną informację sensoryczną, kiedy wolą nawigować według słońca, a kiedy kierunku wiatru i czy wykorzystują obie możliwości jednocześnie. Obserwacje i pomiary przeprowadzono w naturalnym środowisku osób badanych, a także w symulowanych, kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.
Wyniki badania
W niniejszym opracowaniu rolę głównego obiektu pełnił chrząszcz tego gatunku Scarabeusz Lamarcki, a obserwacje w środowisku naturalnym przeprowadzono na terenie farmy Stonehenge, niedaleko Johannesburga (RPA).
Zdjęcie nr 1: zmiany prędkości wiatru w ciągu dnia (А), zmiany kierunku wiatru w ciągu dnia (В).
Przeprowadzono wstępne pomiary prędkości i kierunku wiatru. W nocy prędkość była najniższa (<0,5 m/s), ale wzrastała bliżej świtu, osiągając dzienny szczyt (3 m/s) między 11:00 a 13:00 (wysokość słońca ∼70°).
Wartości prędkości są godne uwagi, ponieważ przekraczają próg 0,15 m/s wymagany do orientacji menotaktycznej chrząszczy gnojowych. W tym przypadku szczytowa prędkość wiatru zbiega się w porze dnia ze szczytową aktywnością chrząszczy Scarabeusz Lamarcki.
Chrząszcze toczą swoją ofiarę w linii prostej od miejsca zbioru na dość dużą odległość. Przeciętnie cała trasa zajmuje 6.1 ± 3.8 minuty. Dlatego w tym okresie muszą jak najdokładniej podążać wyznaczoną trasą.
Jeśli mówimy o kierunku wiatru, to w okresie największej aktywności chrząszczy (od 06:30 do 18:30) średnia zmiana kierunku wiatru w ciągu 6 minut wynosi nie więcej niż 27.0°.
Łącząc dane dotyczące prędkości i kierunku wiatru w ciągu dnia, naukowcy uważają, że takie warunki pogodowe są wystarczające do multimodalnej nawigacji chrząszczy.
Obraz nr 2
Czas obserwować. Aby przetestować możliwy wpływ wiatru na charakterystykę orientacji przestrzennej chrząszczy gnojowych, utworzono okrągłą „arenę” z pożywieniem pośrodku. Chrząszcze mogły swobodnie toczyć utworzone przez siebie kulki w dowolnym kierunku od środka w obecności kontrolowanego, stabilnego przepływu powietrza z prędkością 3 m/s. Badania te przeprowadzono w pogodne 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 zmienić się nawet o 180° pomiędzy dwiema wizytami chrząszczy (2А). Warto też wziąć pod uwagę fakt, że chrząszcze nie chorują na stwardnienie rozsiane, dlatego już po pierwszej wizycie pamiętają wybraną przez siebie trasę. Wiedząc o tym, naukowcy biorą pod uwagę zmianę kąta wyjścia z areny podczas późniejszego wejścia chrząszcza jako jeden ze wskaźników powodzenia orientacji.
Gdy wysokość słońca ≥75° (wysoka), zmiany azymutu w odpowiedzi na zmianę kierunku wiatru o 180° pomiędzy pierwszym a drugim zestawem skupiały się wokół 180° (P <0,001, test V) ze średnią zmianą 166.9 ± 79.3 ° (2B). W tym przypadku zmiana położenia słońca (zastosowano lustro) o 180° spowodowała subtelną reakcję 13,7 ± 89,1° (dolne kółko na 2B).
Co ciekawe, na średnich i niskich wysokościach słońca chrząszcze trzymały się swoich tras pomimo zmian kierunku wiatru - średnia wysokość: -15,9 ± 40,2°; P < 0,001; mała wysokość: 7,1 ± 37,6°, P < 0,001 (2C и 2D). Jednak zmiana kierunku promieni słonecznych o 180° wywołała odwrotną reakcję, czyli radykalną zmianę kierunku trasy chrząszcza - średnia wysokość: 153,9 ± 83,3°; mała wysokość: −162 ± 69,4°; P <0,001 (dolne kółka w 2А, 2S и 2D).
Być może na orientację wpływa nie sam wiatr, ale zapachy. Aby to sprawdzić, drugiej grupie chrząszczy doświadczalnych usunięto dystalne segmenty czułków odpowiedzialne za zmysł węchu. Zmiany trasy w odpowiedzi na zmiany kierunku wiatru o 180° wykazywane przez te chrząszcze nadal skupiały się wokół 180°. Innymi słowy, nie ma praktycznie żadnej różnicy w stopniu orientacji pomiędzy chrząszczami posiadającymi i nie posiadającymi zmysłu węchu.
Pośredni wniosek jest taki, że chrząszcze gnojowe do swojej orientacji wykorzystują słońce i wiatr. W tym przypadku w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych stwierdzono, że na dużych wysokościach słońca kompas wiatrowy dominuje nad kompasem słonecznym, jednak sytuacja zaczyna się zmieniać, gdy słońce zbliża się do horyzontu.
Ta obserwacja wskazuje, że istnieje dynamiczny multimodalny system kompasu, w którym interakcja między dwiema modalnościami zmienia się w zależności od informacji sensorycznych. Oznacza to, że chrząszcz nawiguje o każdej porze dnia, opierając się na najbardziej wiarygodnym źródle informacji w tym konkretnym momencie (słońce jest nisko - słońce jest punktem odniesienia; słońce jest wysoko - wiatr jest punktem odniesienia).
Następnie naukowcy postanowili sprawdzić, czy wiatr pomaga chrząszczom w orientacji, czy nie. W tym celu przygotowano arenę o średnicy 1 m, na środku której znajdował się pokarm. W sumie chrząszcze wykonały 20 zachodów słońca na wysokiej pozycji słońca: 10 z wiatrem i 10 bez wiatru (2F).
Zgodnie z oczekiwaniami obecność wiatru zwiększyła dokładność orientacji chrząszczy. Należy zauważyć, że we wczesnych obserwacjach dokładności kompasu słonecznego zmiana azymutu pomiędzy dwoma kolejnymi zestawami jest dwukrotnie większa przy wysokim położeniu słońca (>75°) w porównaniu z niższym położeniem (<60°).
Zrozumieliśmy więc, że wiatr odgrywa ważną rolę w orientacji chrząszczy gnojowych, kompensując niedokładności kompasu słonecznego. Ale w jaki sposób chrząszcz zbiera informacje o prędkości i kierunku wiatru? Oczywiście najbardziej oczywistą rzeczą jest to, że dzieje się to poprzez anteny. Aby to zweryfikować, naukowcy przeprowadzili badania w pomieszczeniu zamkniętym przy stałym przepływie powietrza (3 m/s) z udziałem dwóch grup chrząszczy – z czułkami i bez czułków (3A).
Obraz nr 3
Głównym kryterium dokładności orientacji była zmiana azymutu pomiędzy dwoma podejściami, gdy kierunek przepływu powietrza zmienił się o 180°.
Zmiany kierunku ruchu chrząszczy z czułkami skupiały się wokół 180°, w przeciwieństwie do chrząszczy bez czułków. Ponadto średnia bezwzględna zmiana azymutu dla chrząszczy bez czułków wyniosła 104,4 ± 36,0°, co znacznie różni się od bezwzględnej zmiany azymutu dla chrząszczy z czułkami – 141,0 ± 45,0° (wykres w 3V). Oznacza to, że chrząszcze bez anten nie mogłyby normalnie poruszać się na wietrze. Jednak nadal były dobrze zorientowane przez słońce.
Na obrazie 3А przedstawia konfigurację testową mającą na celu sprawdzenie zdolności chrząszczy do łączenia informacji z różnych modalności sensorycznych w celu dostosowania trasy. Aby to osiągnąć, w badaniu uwzględniono oba punkty orientacyjne (wiatr + słońce) podczas pierwszego podejścia lub tylko jeden punkt orientacyjny (słońce lub wiatr) podczas drugiego podejścia. W ten sposób porównano multimodalność i unimodalność.
Obserwacje wykazały, że zmiany kierunku przemieszczania się chrząszczy po przejściu z punktu orientacyjnego wielomodalnego do punktu orientacyjnego jednomodalnego skupiały się wokół 0°: tylko wiatr: −8,2 ± 64,3°; tylko słońce: 16,5 ± 51,6° (wykresy pośrodku i tuż obok 3C).
Ta charakterystyka orientacji nie różniła się od tej, którą uzyskano w obecności dwóch punktów orientacyjnych (słońce + wiatr) (wykres po lewej stronie na 3S).
Sugeruje to, że w kontrolowanych warunkach chrząszcz może wykorzystać jeden punkt orientacyjny, jeśli drugi nie dostarczy wystarczających informacji, to znaczy zrekompensuje niedokładność jednego punktu orientacyjnego drugim.
Jeśli myślisz, że naukowcy na tym poprzestali, to tak nie jest. Następnie należało sprawdzić, jak dobrze chrząszcze przechowują informacje o jednym z punktów orientacyjnych i czy wykorzystują je w przyszłości jako uzupełnienie. W tym celu przeprowadzono 4 podejścia: w pierwszym był 1 punkt orientacyjny (słońce), w drugim i trzecim dodano przepływ powietrza, a podczas czwartego był tylko przepływ powietrza. Przeprowadzono także test, w którym punkty orientacyjne były w odwrotnej kolejności: wiatr, słońce + wiatr, słońce + wiatr, słońce.
Wstępna teoria głosi, że jeśli chrząszcze potrafią przechowywać informacje o obu punktach orientacyjnych w tym samym obszarze pamięci przestrzennej mózgu, to powinny utrzymywać ten sam kierunek podczas pierwszej i czwartej wizyty, tj. zmiany kierunku ruchu powinny skupiać się wokół 0°.
Obraz nr 4
Zebrane dane dotyczące zmiany azymutu podczas pierwszego i czwartego przebiegu potwierdziły powyższe założenie (4A), co zostało dodatkowo potwierdzone poprzez modelowanie, którego wyniki przedstawiono na wykresie 4C (po lewej).
W ramach dodatkowej kontroli przeprowadzono testy, w których strumień powietrza zastąpiono plamką ultrafioletową (4B i 4C po prawej). Wyniki były prawie identyczne z testami słońca i przepływu powietrza.
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się и do niego.
Epilog
Połączenie wyników eksperymentów przeprowadzonych zarówno w środowisku naturalnym, jak i kontrolowanym wykazało, że u chrząszczy gnojowych informacje wizualne i mechanosensoryczne zbiegają się we wspólnej sieci neuronowej i są przechowywane w postaci migawki multimodalnego kompasu. Porównanie efektywności wykorzystywania słońca lub wiatru jako punktu odniesienia wykazało, że chrząszcze zwykle korzystały z punktu odniesienia, który dostarczał im więcej informacji. Drugi używany jest jako zapasowy lub uzupełniający.
Może się to dla nas wydawać czymś bardzo powszechnym, ale nie zapominaj, że nasz mózg jest znacznie większy niż mózg małego robaka. Jednak, jak się dowiedzieliśmy, nawet najmniejsze stworzenia są zdolne do skomplikowanych procesów umysłowych, gdyż w naturze przetrwanie zależy albo od siły, albo od inteligencji, a najczęściej od kombinacji obu.
Piątek poza szczytem:
Nawet chrząszcze walczą o zdobycz. I nie ma znaczenia, że ofiarą jest kula łajna.
(BBC Earth, David Attenborough)
Dziękuję za przeczytanie, bądźcie ciekawi i miłego weekendu, chłopaki! 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com