GPS para sa dung beetle: isang multimodal orientation system

May mga tanong na tinanong o sinubukan naming sagutin: bakit asul ang langit, ilang bituin ang nasa langit, sino ang mas malakas - isang white shark o isang killer whale, atbp. At may mga tanong na hindi namin naitanong, ngunit hindi nito ginagawang mas kawili-wili ang sagot. Kabilang sa mga naturang katanungan ang sumusunod: ano ang napakahalagang pinagsama-sama ng mga siyentipiko mula sa Lund (Sweden), Witwatersrand (South Africa), Stockholm (Sweden) at Würzburg (Germany)? Marahil ito ay isang bagay na napakahalaga, napakakumplikado at hindi kapani-paniwalang kapaki-pakinabang. Buweno, mahirap sabihin nang sigurado tungkol dito, ngunit tiyak na napaka-interesante, ibig sabihin, kung paano nag-navigate ang mga dung beetle sa kalawakan. Sa unang tingin, ang lahat ng bagay dito ay walang halaga, ngunit ang ating mundo ay puno ng mga bagay na hindi kasing simple ng tila, at ang mga dung beetle ay patunay nito. Kaya, ano ang kakaiba sa sistema ng nabigasyon ng dung beetle, paano ito sinubukan ng mga siyentipiko, at ano ang kinalaman ng kompetisyon dito? Makakahanap tayo ng mga sagot sa mga ito at sa iba pang mga katanungan sa ulat ng pangkat ng pananaliksik. Pumunta ka.

Protagonist

Una sa lahat, ito ay nagkakahalaga ng pagkilala sa pangunahing katangian ng pag-aaral na ito. Siya ay malakas, masipag, matiyaga, gwapo at maalaga. Ito ay isang dung beetle mula sa superfamily Scarabaeidae.

Nakuha ng dung beetle ang kanilang hindi masyadong kaakit-akit na pangalan dahil sa kanilang mga gastronomic na kagustuhan. Sa isang banda, ito ay isang maliit na gross, ngunit para sa dung beetle ito ay isang mahusay na pinagmumulan ng mga sustansya, kung kaya't ang karamihan sa mga species ng pamilyang ito ay hindi nangangailangan ng iba pang mga mapagkukunan ng pagkain o kahit na tubig. Ang tanging pagbubukod ay ang species na Deltochilum valgum, na ang mga kinatawan ay mahilig magpista ng mga alupihan.

Ang pagkalat ng mga dung beetle ay ang inggit ng karamihan sa iba pang nabubuhay na nilalang, dahil nakatira sila sa lahat ng kontinente maliban sa Antarctica. Ang tirahan ay mula sa malamig na kagubatan hanggang sa mainit na disyerto. Malinaw, mas madaling makahanap ng malalaking konsentrasyon ng mga dung beetle sa mga tirahan ng hayop na "mga pabrika" para sa paggawa ng kanilang pagkain. Mas gusto ng mga dung beetle na mag-imbak ng pagkain para sa hinaharap.

Isang maikling video tungkol sa mga dung beetle at ang pagiging kumplikado ng kanilang paraan ng pamumuhay (BBC, David Attenborough).

Ang iba't ibang mga species ng beetle ay may sariling mga katangian ng pagbagay sa pag-uugali. Ang ilan ay bumubuo ng mga bola ng pataba, na pinagsama mula sa lugar ng koleksyon at inilibing sa isang butas. Ang iba ay naghuhukay ng mga lagusan sa ilalim ng lupa, na pinupuno ang mga ito ng pagkain. At ang iba pa, na alam ang kasabihan tungkol kay Mohammed at kalungkutan, ay nabubuhay lamang sa mga tambak ng dumi.

Ang mga supply ng pagkain ay mahalaga para sa salagubang, ngunit hindi para sa mga dahilan ng pangangalaga sa sarili, ngunit para sa mga dahilan ng pag-aalaga sa mga magiging supling. Ang katotohanan ay ang dung beetle larvae ay nakatira sa kung ano ang nakolekta ng kanilang magulang kanina. At ang mas maraming pataba, iyon ay, pagkain para sa larvae, mas malamang na sila ay mabuhay.

Nakita ko ang pormulasyon na ito sa proseso ng pagkolekta ng impormasyon, at hindi ito masyadong maganda, lalo na ang huling bahagi:... Ang mga lalaki ay nakikipaglaban para sa mga babae, ipinatong ang kanilang mga paa sa mga dingding ng lagusan, at tinutulak ang kanilang kalaban na may mga sungay na parang sungay ... Ang ilang mga lalaki ay walang mga sungay at samakatuwid ay hindi nakikibahagi sa labanan, ngunit may mas malalaking gonad at bantay. ang babae sa susunod na lagusan...

Well, lumipat tayo mula sa lyrics nang direkta sa pananaliksik mismo.

Tulad ng nabanggit ko kanina, ang ilang mga species ng dung beetle ay bumubuo ng mga bola at igulong ang mga ito sa isang tuwid na linya, anuman ang kalidad o kahirapan ng napiling ruta, sa isang butas ng imbakan. Ito ang pag-uugali ng mga beetle na ito na pinakakilala namin salamat sa maraming dokumentaryo. Alam din namin na bilang karagdagan sa lakas (ang ilang mga species ay maaaring magtaas ng 1000 beses sa kanilang sariling timbang), gastronomic na kagustuhan at pangangalaga para sa kanilang mga supling, ang mga dung beetle ay may mahusay na spatial na oryentasyon. Bukod dito, sila lamang ang mga insekto na nakakapag-navigate sa gabi gamit ang mga bituin.

Sa South Africa (ang lokasyon ng mga obserbasyon), isang dung beetle, na natagpuan ang "biktima", ay bumubuo ng isang bola at nagsimulang igulong ito sa isang tuwid na linya sa isang random na direksyon, pinaka-mahalaga palayo sa mga kakumpitensya na hindi mag-atubiling alisin. ang pagkaing nakuha nito. Samakatuwid, para maging mabisa ang pagtakas, kailangan mong gumalaw sa parehong direksyon sa lahat ng oras, nang hindi lumihis sa kurso.

Ang araw ay ang pangunahing reference point, tulad ng alam na natin, ngunit hindi ito ang pinaka maaasahan. Ang taas ng araw ay nagbabago sa buong araw, na binabawasan ang katumpakan ng oryentasyon. Bakit hindi nagsisimulang tumakbo nang paikot-ikot ang mga salagubang, nalilito sa direksyon at sinusuri ang mapa tuwing 2 minuto? Makatuwirang ipagpalagay na ang araw ay hindi lamang ang pinagmumulan ng impormasyon para sa oryentasyon sa kalawakan. At pagkatapos ay iminungkahi ng mga siyentipiko na ang pangalawang reference point para sa mga beetle ay ang hangin, o sa halip ang direksyon nito. Ito ay hindi isang natatanging tampok, dahil ang mga langgam at maging ang mga ipis ay nagagamit ng hangin upang mahanap ang kanilang daan.

Sa kanilang trabaho, nagpasya ang mga siyentipiko na subukan kung paano ginagamit ng mga dung beetle ang multimodal sensory information na ito, kapag mas gusto nilang mag-navigate sa pamamagitan ng araw at kapag sa direksyon ng hangin, at kung ginagamit nila ang parehong mga opsyon nang sabay-sabay. Ang mga obserbasyon at pagsukat ay ginawa sa natural na kapaligiran ng mga paksa, pati na rin sa kunwa, kinokontrol na mga kondisyon ng laboratoryo.

Mga resulta ng pananaliksik

Sa pag-aaral na ito, ang papel ng pangunahing paksa ay ginampanan ng isang salagubang ng mga species Scarabaeus lamarcki, at ang mga obserbasyon sa natural na kapaligiran ay isinagawa sa teritoryo ng Stonehenge farm, malapit sa Johannesburg (South Africa).

Larawan No. 1: mga pagbabago sa bilis ng hangin sa araw (А), pagbabago sa direksyon ng hangin sa araw (В).

Ang mga paunang sukat ng bilis ng hangin at direksyon ay isinagawa. Sa gabi, ang bilis ay pinakamababa (<0,5 m/s), ngunit tumaas nang mas malapit sa madaling araw, na umaabot sa araw-araw na peak (3 m/s) sa pagitan ng 11:00 at 13:00 (solar altitude ∼70°).

Ang mga halaga ng bilis ay kapansin-pansin dahil lumampas sila sa threshold na 0,15 m/s na kinakailangan para sa menotactic na oryentasyon ng mga dung beetle. Sa kasong ito, ang peak wind speed ay tumutugma sa oras ng araw sa peak activity ng beetle Scarabaeus lamarcki.

Ang mga salagubang ay gumulong sa kanilang biktima sa isang tuwid na linya mula sa punto ng koleksyon hanggang sa isang medyo malaking distansya. Sa karaniwan, ang buong ruta ay tumatagal ng 6.1 ± 3.8 minuto. Samakatuwid, sa panahong ito dapat nilang sundan ang ruta nang tumpak hangga't maaari.

Kung pinag-uusapan natin ang direksyon ng hangin, pagkatapos ay sa panahon ng maximum na aktibidad ng mga beetle (mula 06:30 hanggang 18:30), ang average na pagbabago sa direksyon ng hangin sa loob ng 6 na minuto ay hindi hihigit sa 27.0°.

Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng data sa bilis ng hangin at direksyon sa buong araw, naniniwala ang mga siyentipiko na ang gayong mga kondisyon ng panahon ay sapat para sa multimodal nabigasyon ng mga beetle.

Larawan #2

Oras na para mag-obserba. Upang subukan ang posibleng impluwensya ng hangin sa mga katangian ng spatial na oryentasyon ng mga dung beetle, isang pabilog na "arena" ang nilikha na may pagkain sa gitna. Ang mga beetle ay malayang igulong ang mga bola na kanilang nabuo sa anumang direksyon mula sa gitna sa pagkakaroon ng isang kontrolado, matatag na daloy ng hangin sa bilis na 3 m/s. Ang mga pagsusuring ito ay isinagawa sa mga malinaw na araw kung kailan nag-iiba ang taas ng araw sa buong araw gaya ng sumusunod: ≥75° (mataas), 45–60° (kalagitnaan), at 15–30° (mababa).

Ang mga pagbabago sa daloy ng hangin at posisyon ng araw ay maaaring magbago hanggang 180° sa pagitan ng dalawang pagbisita sa beetle (2A). Ito rin ay nagkakahalaga ng pagsasaalang-alang sa katotohanan na ang mga beetle ay hindi nagdurusa sa sclerosis, at samakatuwid pagkatapos ng unang pagbisita ay naaalala nila ang ruta na kanilang pinili. Alam ito, isinasaalang-alang ng mga siyentipiko ang mga pagbabago sa anggulo ng paglabas mula sa arena sa panahon ng kasunod na pagpasok ng beetle bilang isa sa mga tagapagpahiwatig ng tagumpay ng oryentasyon.

Kapag ang altitude ng araw ay ≥75° (mataas), ang mga pagbabago sa azimuth bilang tugon sa isang 180° na pagbabago sa direksyon ng hangin sa pagitan ng una at ikalawang set ay pinagsama-sama sa paligid ng 180° (P <0,001, V test) na may average na pagbabago na 166.9 ± 79.3 ° (2B). Sa kasong ito, ang pagbabago sa posisyon ng araw (isang salamin ang ginamit) ng 180° ay nagdulot ng banayad na reaksyon na 13,7 ± 89,1° (ibabang bilog sa 2B).

Kapansin-pansin, sa katamtaman at mababang taas ng araw, ang mga salagubang ay nananatili sa kanilang mga ruta sa kabila ng mga pagbabago sa direksyon ng hangin - average na altitude: -15,9 ± 40,2°; P <0,001; mababang altitude: 7,1 ± 37,6°, P < 0,001 (2C и 2D). Ngunit ang pagbabago ng direksyon ng mga sinag ng araw ng 180° ay nagkaroon ng kabaligtaran na reaksyon, iyon ay, isang radikal na pagbabago sa direksyon ng ruta ng salagubang - average na taas: 153,9 ± 83,3°; mababang altitude: −162 ± 69,4°; P <0,001 (mas mababang mga bilog sa 2A, 2S и 2D).

Marahil ang oryentasyon ay naiimpluwensyahan hindi ng hangin mismo, ngunit ng mga amoy. Upang subukan ito, inalis ng pangalawang grupo ng mga test beetle ang kanilang mga distal antennal segment, na responsable para sa kanilang pang-amoy. Ang mga pagbabago sa ruta bilang tugon sa 180° pagbabago sa direksyon ng hangin na ipinakita ng mga salagubang ito ay malaki pa rin ang clustered sa paligid ng 180°. Sa madaling salita, halos walang pagkakaiba sa antas ng oryentasyon sa pagitan ng mga beetle na may at walang pang-amoy.

Ang isang intermediate na konklusyon ay ang mga dung beetle ay gumagamit ng araw at hangin sa kanilang oryentasyon. Sa kasong ito, sa ilalim ng kinokontrol na mga kondisyon ng laboratoryo, napag-alaman na ang wind compass ay nangingibabaw sa solar compass sa matataas na taas ng araw, ngunit ang sitwasyon ay nagsisimulang magbago kapag ang araw ay lumalapit sa abot-tanaw.

Ang pagmamasid na ito ay nagpapahiwatig na mayroong isang dynamic na multimodal compass system sa lugar, kung saan ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng dalawang modalidad ay nagbabago ayon sa pandama na impormasyon. Iyon ay, ang beetle ay nag-navigate sa anumang oras ng araw, umaasa sa pinaka-maaasahang mapagkukunan ng impormasyon sa partikular na sandali (ang araw ay mababa - ang araw ay isang sanggunian; ang araw ay mataas - ang hangin ay isang sanggunian).

Susunod, nagpasya ang mga siyentipiko na suriin kung nakakatulong ang hangin sa pag-orient sa mga salagubang o hindi. Para sa layuning ito, ang isang arena na may diameter na 1 m ay inihanda na may pagkain sa gitna. Sa kabuuan, ang mga beetle ay gumawa ng 20 paglubog ng araw sa isang mataas na posisyon ng araw: 10 na may hangin at 10 na walang hangin (2F).

Tulad ng inaasahan, ang pagkakaroon ng hangin ay nagpapataas ng katumpakan ng oryentasyon ng mga salagubang. Napansin na sa mga unang obserbasyon ng katumpakan ng solar compass, ang pagbabago sa azimuth sa pagitan ng dalawang sunud-sunod na set ay nadoble sa mataas na posisyon ng araw (>75°) kumpara sa isang mas mababang posisyon (<60°).

Kaya, napagtanto namin na ang hangin ay may mahalagang papel sa oryentasyon ng mga dung beetle, na binabayaran ang mga kamalian ng solar compass. Ngunit paano nangongolekta ang isang salagubang ng impormasyon tungkol sa bilis at direksyon ng hangin? Siyempre, ang pinaka-halatang bagay ay nangyayari ito sa pamamagitan ng antennae. Upang mapatunayan ito, ang mga siyentipiko ay nagsagawa ng mga pagsubok sa loob ng bahay sa isang pare-parehong daloy ng hangin (3 m/s) na may partisipasyon ng dalawang grupo ng mga beetle - may at walang antennae (3A).

Larawan #3

Ang pangunahing criterion para sa katumpakan ng oryentasyon ay ang pagbabago sa azimuth sa pagitan ng dalawang diskarte kapag ang direksyon ng daloy ng hangin ay nagbago ng 180°.

Ang mga pagbabago sa direksyon ng paggalaw ng mga beetle na may antennae ay pinagsama sa paligid ng 180°, kabaligtaran sa mga beetle na walang antennae. Bilang karagdagan, ang ibig sabihin ng ganap na pagbabago sa azimuth para sa mga beetle na walang antennae ay 104,4 ± 36,0°, na ibang-iba sa ganap na pagbabago para sa mga beetle na may antennae - 141,0 ± 45,0° (graph sa 3V). Iyon ay, ang mga salagubang na walang antennae ay hindi maaaring mag-navigate nang normal sa hangin. Gayunpaman, mahusay pa rin silang nakatuon sa araw.

Sa larawan 3A nagpapakita ng test setup upang subukan ang kakayahan ng mga beetle na pagsamahin ang impormasyon mula sa iba't ibang sensory modalities upang ayusin ang kanilang ruta. Upang gawin ito, kasama sa pagsubok ang parehong mga palatandaan (hangin + araw) sa unang paglapit, o isang palatandaan lamang (araw o hangin) sa pangalawa. Sa ganitong paraan, inihambing ang multimodality at unimodality.

Ang mga obserbasyon ay nagpakita na ang mga pagbabago sa direksyon ng paggalaw ng mga beetle pagkatapos ng paglipat mula sa isang multi- sa isang unimodal na palatandaan ay puro sa paligid ng 0°: hangin lamang: −8,2 ± 64,3°; araw lang: 16,5 ± 51,6° (mga graph sa gitna at sa kanan 3C).

Ang katangian ng oryentasyong ito ay hindi naiiba sa nakuha sa pagkakaroon ng dalawang (araw + hangin) na mga palatandaan (graph sa kaliwa sa 3S).

Iminumungkahi nito na, sa ilalim ng kinokontrol na mga kondisyon, ang isang salagubang ay maaaring gumamit ng isang palatandaan kung ang pangalawa ay hindi nagbibigay ng sapat na impormasyon, iyon ay, mabayaran ang hindi kawastuhan ng isang palatandaan sa pangalawa.

Kung sa tingin mo ay huminto ang mga siyentipiko doon, hindi ito ganoon. Susunod, kinakailangang suriin kung gaano kahusay ang pag-iimbak ng mga salagubang ng impormasyon tungkol sa isa sa mga palatandaan, at kung gagamitin nila ito sa hinaharap bilang pandagdag. Para sa layuning ito, 4 na diskarte ang isinagawa: sa una ay mayroong 1 palatandaan (ang araw), sa pangalawa at pangatlo ay idinagdag ang daloy ng hangin, at sa ika-apat ay mayroon lamang daloy ng hangin. Nagsagawa din ng pagsubok kung saan ang mga palatandaan ay nasa reverse order: hangin, araw+hangin, araw+hangin, araw.

Ang isang pansamantalang teorya ay kung ang mga salagubang ay maaaring mag-imbak ng impormasyon tungkol sa parehong mga palatandaan sa parehong spatial na rehiyon ng memorya sa utak, dapat nilang panatilihin ang parehong direksyon sa una at ikaapat na pagbisita, i.e. ang mga pagbabago sa direksyon ng paggalaw ay dapat magkumpol sa paligid ng 0°.

Larawan #4

Ang nakolektang data sa pagbabago sa azimuth sa una at ikaapat na pagtakbo ay nagkumpirma sa palagay sa itaas (4A), na higit pang nakumpirma sa pamamagitan ng pagmomodelo, ang mga resulta nito ay inilalarawan sa graph 4C (kaliwa).

Bilang karagdagang pagsusuri, isinagawa ang mga pagsusuri kung saan ang daloy ng hangin ay pinalitan ng ultraviolet spot (4B at 4C sa kanan). Ang mga resulta ay halos magkapareho sa mga pagsubok sa daloy ng araw at hangin.

Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa ulat ng mga siyentipiko и Mga karagdagang materyales sa kanya.

Epilogo

Ang kumbinasyon ng mga resulta mula sa mga eksperimento sa parehong natural at kontroladong mga kapaligiran ay nagpakita na sa mga dung beetle, ang visual at mechanosensory na impormasyon ay nagtatagpo sa isang karaniwang neural network at iniimbak bilang isang snapshot ng isang multimodal compass. Ang isang paghahambing ng pagiging epektibo ng paggamit ng alinman sa araw o hangin bilang isang sanggunian ay nagpakita na ang mga salagubang ay may kaugaliang gumamit ng sanggunian na nagbigay sa kanila ng higit pang impormasyon. Ang pangalawa ay ginagamit bilang isang ekstra o komplementaryong isa.

Ito ay maaaring mukhang isang napaka-karaniwang bagay para sa amin, ngunit huwag kalimutan na ang aming utak ay mas malaki kaysa sa isang maliit na bug. Ngunit, tulad ng natutunan natin, kahit na ang pinakamaliit na nilalang ay may kakayahang gumawa ng mga kumplikadong proseso ng pag-iisip, dahil sa ligaw ang iyong kaligtasan ay nakasalalay sa alinman sa lakas o katalinuhan, at kadalasan sa kumbinasyon ng dalawa.

Biyernes off-top:

Maging ang mga salagubang ay nakikipag-away sa biktima. At hindi mahalaga na ang biktima ay isang bola ng dumi.
(BBC Earth, David Attenborough)

Salamat sa pagbabasa, manatiling mausisa at magkaroon ng magandang weekend guys! 🙂

Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, 30% na diskwento para sa mga gumagamit ng Habr sa isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: Ang buong katotohanan tungkol sa VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps mula sa $20 o kung paano magbahagi ng server? (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 beses na mas mura? Dito lang 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV mula $199 sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa Paano bumuo ng infrastructure corp. klase sa paggamit ng mga server ng Dell R730xd E5-2650 v4 na nagkakahalaga ng 9000 euro para sa isang sentimos?

Pinagmulan: www.habr.com