Є питання, які ми ставили або намагалися на них відповісти: чому небо синє, скільки зірок на небосхилі, хто сильніший — біла акула чи косатка тощо. А є питання, які ми не ставили, але відповідь від цього менш цікавою не стає. До таких питань можна віднести наступний — що такого важливого вирішили дослідити вчені з Лундського (Швеція), Вітватерсрандського (ПАР), Стокгольмського (Швеція) та Вюрцбурзького (Німеччина) університетів разом узятих? Напевно, це щось дуже важливе, дуже складне та неймовірно корисне. Ну, щодо цього однозначно сказати складно, але це дуже цікаво, а саме — як орієнтуються в просторі жуки-гнійники. На перший погляд тут все тривіально, але наш світ сповнений речей, які не такі прості як здаються і жуки-гнійники тому підтвердження. Отже, що такого унікального в навігаційній системі жука-гнойовика, як вчені це перевірили і до чого тут конкуренція? На ці та інші питання ми знайдемо відповіді у доповіді дослідницької групи. Поїхали.
Головний герой
Насамперед варто познайомитися з головним героєм цього дослідження. Він сильний, працьовитий, наполегливий, гарний і дбайливий. Він — гнойовий жук із надродини скарабеоїдних.
Жуки-гнійники отримали своє не дуже привабливе ім'я через свої гастрономічні уподобання. З одного боку це трохи бридко, але для жука-гнойовика це відмінне джерело поживних речовин, від чого більшість видів цього сімейства не потребують інших джерел їжі і навіть води. Єдиним винятком є вид Deltochilum valgum, представники якого люблять поласувати багатоніжками.
Поширеність жуків-гнійників може позаздрити більшість інших живих істот, оскільки вони мешкають на всіх континентах, крім Антарктиди. Ареал проживання варіюється від прохолодних лісів до спекотних пустель. Очевидно, що велике скупчення жуків-гнойовиків простіше зустріти в місцях проживання тварин, які є «заводами» з виробництва їхньої їжі. Жуки-гнійники вважають за краще запасатися їжею на майбутнє.
Невеликий ролик про жуків-гнійників та складності їхнього способу життя (BBC, Девід Аттенборо).
Різні види жуків мають свої поведінкові адаптаційні особливості. Одні формують із гною кульки, які котять від місця збору та закопують у нору. Інші копають тунелі під землею, заповнюючи їх їжею. А треті, які знають приказку про Магомета і горе, просто живуть у купах гною.
Запаси їжі важливі для жука, але не стільки через самозбереження, скільки через турботи про майбутнє потомство. Справа в тому, що личинки жуків-гнійників живуть у тому, що їхній батько зібрав раніше. І чим більше гною, тобто їжі для личинок, тим більша ймовірність, що вони виживуть.
Натрапив на таке формулювання у процесі збору інформації, і звучить воно якось не дуже, особливо остання частина:…Самці борються за самок, упираючись ногами об стінки тунелю, а рогоподібними виростами штовхаючи суперника… Деякі самці не мають рогів і тому не вступають у сутичку, але мають більші статеві залози і чатують самку в сусідньому тунелі…
Що ж, від лірики перейдемо безпосередньо до дослідження.
Як я вже згадував раніше, деякі види жуків-гнійників формують кульки і котять їх по прямій лінії, не звертаючи уваги на якість та складність обраного маршруту, у нору для зберігання. Саме з такою поведінкою цих жуків ми найкраще знайомі завдяки численним документальним фільмам. Також нам відомо, що крім сили (деякі види можуть підняти вагу в 1000 разів, що перевищує їх власний), гастрономічних переваг і турботливості про потомство, жуки-гнійники чудово орієнтуються в просторі. Більше того, вони є єдиними комахами, здатними орієнтуватися вночі по зірок.
У Південній Африці (місце проведення спостережень) жук-гнійник, знайшовши «видобуток», формує кульку і починає котити її по прямій лінії у випадковому напрямку, головне подалі від конкурентів, які не посоромляться відібрати у нього здобуту їжу. Отже, щоб втеча була ефективна, потрібно рухатися в тому самому напрямку весь час, не збиваючись з курсу.
Сонце є основним орієнтиром, як ми вже знаємо, але він не найнадійніший. Висота сонця змінюється протягом дня, від чого точність орієнтування знижується. Чому ж жуки не починають намотувати кола, плутатися в напрямку та звірятися з карткою кожні 2 хвилини? Логічно припустити, що сонце перестав бути єдиним джерелом інформації для орієнтування у просторі. І тут вчені припустили, що другим орієнтиром для жуків є вітер, точніше його напрямок. Це не унікальна особливість, тому що мурахи і навіть таргани здатні використовувати вітер для пошуку шляху.
У своїй праці вчені вирішили перевірити як жуки-гнійники використовують цю мультимодальну сенсорну інформацію, коли вони вважають за краще орієнтуватися по сонцю, а коли за напрямом вітру, і чи використовують вони обидва варіанти одночасно. Були проведені спостереження та вимірювання у природному середовищі проживання піддослідних, а також у змодельованих контрольованих лабораторних умовах.
Результати дослідження
У цьому дослідженні роль головного випробуваного зіграв жук виду Scarabaeus lamarcki, а спостереження у природному середовищі проводилися на території ферми «Stonehenge», що неподалік Йоганнесбурга (ПАР).
Зображення №1: зміни швидкості вітру протягом доби (А), зміни напрямку вітру протягом доби (В).
Були проведені попередні вимірювання швидкості та напрямки вітру. Вночі швидкість була найнижчою (<0,5 м/с), але ближче до світанку підвищувалася, досягаючи добового піку (3 м/с) у період з 11:00 до 13:00 (висота сонця ∼70°).
Показники швидкості примітні тим, що перевищують поріг 0,15 м/с, необхідний менотаксической орієнтації гною жуків. При цьому пік швидкості вітру збігається за часом доби з піком активності жуків Scarabaeus lamarcki.
Жуки котять свою здобич по прямій лінії від місця збору на досить велику відстань. У середньому весь маршрут йде 6.1 ± 3.8 хвилини. Отже, протягом цього відрізку часу вони повинні дотримуватись маршруту максимально точно.
Якщо ж говорити про напрям вітру, то в період максимальної активності жуків (з 06:30 до 18:30) середня зміна напряму вітру протягом тимчасового відрізка 6 хвилин становить не більше 27.0°.
Об'єднуючи дані щодо швидкості та напрямку вітру протягом дня, вчені вважають, що подібних погодних умов достатньо для мультимодального орієнтування жуків.
Зображення №2
Настав час спостережень. Щоб перевірити можливий вплив вітру на характеристики орієнтації жуків гною в просторі, була створена кругла «арена», в центрі якої знаходилася їжа. Жуки могли вільно котити сформовані ними кульки у будь-якому напрямку від центру за наявності контрольованого стабільного повітряного потоку швидкістю 3 м/с. Ці тести проводилися в ясні дні, коли висота сонця варіювалася протягом дня наступним чином: ≥75° (висока), 45–60° (середня) та 15–30° (низька).
Зміни повітряного потоку та положення сонця можуть змінюватися на 180° між двома заходами жука (2А). Варто врахувати і той факт, що на склероз жуки не страждають, а тому після першого заходу запам'ятовують обраний ними маршрут. Знаючи це, вчені враховують зміни кута виходу з арени під час наступного заходу жука як один із показників успішності орієнтування.
При висоті сонця ≥75° (висока) зміни азимуту у відповідь на зміну напрямку вітру на 180° між першим і другим заходами було згруповано близько 180° (P<0,001, V-тест) із середньою зміною 166.9±79.3° (2B). При цьому зміна положення сонця (було використано дзеркало) на 180° викликало малопомітну реакцію 13,7±89,1° (нижнє коло на 2B).
Цікаво, що при середній та низькій висоті сонця жуки дотримувалися своїх маршрутів, незважаючи на зміни напряму вітру – середня висота: -15,9±40,2°; P<0,001; низька висота: 7,1±37,6°, P<0,001 (2C и 2D). А ось зміни напряму сонячних променів на 180° мали зворотну реакцію, тобто радикальну зміну напрямку маршруту жука — середня висота: 153,9±83,3°; низька висота: -162 ± 69,4 °; P <0,001 (нижні кола на 2А, 2С и 2D).
Можливо, на орієнтування впливає не сам вітер, а запахи. Для перевірки цього другій групі жуків, що випробовуються, були видалені дистальні сегменти вусиків, що відповідають за нюх. Зміни маршруту у відповідь на зміну напрямку вітру на 180°, продемонстровані цими жуками, все ще значно згруповані навколо 180°. Іншими словами, різниці в ступені орієнтування у жуків з і без нюху практично немає.
Проміжний висновок полягає в тому, що гною жуки використовують у своєму орієнтуванні сонце і вітер. При цьому в контрольованих лабораторних умовах було встановлено, що вітровий компас переважає над сонячним у разі висот сонця, але ситуація починає змінюватися, коли сонце наближається до горизонту.
Це спостереження свідчить про те, що має місце динамічна мультимодальна компасна система, у якій взаємодія між двома модальностями змінюється відповідно до сенсорної інформацією. Тобто жук орієнтується в будь-який час доби, покладаючись на найнадійніше джерело інформації в даний конкретний момент (сонце низько орієнтир сонце; сонце високо орієнтир вітер).
Далі вчені вирішили перевірити чи допомагає вітер в орієнтуванні жуків чи ні. Для цього була підготовлена арена діаметром 1 м із їжею у центрі. Усього жуки здійснили 20 заходів при високому становищі сонця: 10 з вітром і 10 без вітру (2F).
Як і очікувалося, наявність вітру збільшувала точність орієнтування жуків. Зазначається, що у ранніх спостереженнях за точністю сонячного компасу зміна азимуту між двома послідовними заходами збільшується вдвічі за високого становища сонця (> 75°) проти нижчим становищем (<60°).
Отже, ми зрозуміли, що вітер відіграє важливу роль у орієнтуванні жуків-гнійників, компенсуючи неточності сонячного компасу. Але як жук збирає інформацію про швидкість та напрям вітру? Звичайно, очевидніше, що це відбувається за допомогою вусиків. Щоб упевнитися в цьому, вчені провели тести в приміщенні при постійному потоці повітря (3 м/с) за участю двох груп жуків - з вусиками і без них.3A).
Зображення №3
Як основний критерій точності орієнтування виступила зміна азимуту між двома заходами при зміні напряму потоку повітря на 180 °.
Зміна напрямку руху жуків з вусиками було згруповано близько 180°, на відміну жуків без вусиків. Крім того, середня абсолютна зміна азимуту у жуків без вусиків склала 104,4 ± 36,0 °, що сильно відрізняється від абсолютної зміни у жуків з вусиками - 141,0 ± 45,0 ° (графік на 3В). Тобто жуки без вусиків не могли нормально орієнтуватися за вітром. Однак вони все ще добре орієнтувалися на сонце.
На зображенні 3А показано встановлення тесту для перевірки здатності жуків комбінувати інформацію з різних сенсорних модальностей для коригування свого маршруту. Для цього в тесті були обидва орієнтири (вітер + сонце) під час першого заходу або лише один орієнтир (сонце або вітер) під час другого. Таким чином порівнювалася мультимодальність та унімодальність.
Спостереження показали, що зміни напрямку руху жуків після переходу від мульти- до унімодального орієнтиру було сконцентровано навколо 0°: лише вітер: −8,2±64,3°; тільки сонце: 16,5 ± 51,6° (графіки в центрі та праворуч 3C).
Така характеристика орієнтування не відрізнялася від тієї, яка була отримана за наявності двох (сонце + вітер) орієнтирів (графік зліва на 3С).
Це говорить про те, що в контрольованих умовах жук може використовувати один орієнтир, якщо другий не надає достатньої інформації, тобто компенсувати неточність одного орієнтиру другим.
Якщо ви вважаєте, що вчені на цьому зупинилися, то це не так. Далі потрібно перевірити наскільки добре жуки зберігають інформацію про одному з орієнтирів, і чи використовують вони її в майбутньому як доповнення. Для цього було проведено 4 заходи: у першому був 1 орієнтир (сонце), у другому та третьому був доданий повітряний потік, а під час четвертого був лише повітряний потік. Також було проведено тест, де орієнтири були у зворотному порядку: вітер, сонце+вітер, сонце+вітер, сонце.
Попередня теорія полягає в тому, що якщо жуки можуть зберігати інформацію про обох орієнтирах в одній і тій же області просторової пам'яті в мозку, то вони повинні зберігати однаковий напрямок у першому та четвертому заходах, тобто. зміни у напрямі руху мають групуватися близько 0°.
Зображення №4
Зібрані дані щодо зміни азимуту під час першого та четвертого заходів підтвердили вищеописане припущення (4А), яке додатково було підтверджено і за допомогою моделювання, результати якого зображені на графіку 4С (ліворуч).
В якості додаткової перевірки були проведені тести, де повітряний потік був замінений на пляму ультрафіолету (4B та 4С праворуч). Результати були практично ідентичні результатам тестів із застосуванням сонця та повітряного потоку.
Для більш детального ознайомлення з нюансами дослідження рекомендую заглянути у и до нього.
Епілог
Сукупність результатів експериментів як у природному середовищі, так і в контрольованому показала, що у жуків-гнійників зорова та механосенсорна інформація сходяться в загальній нейронній мережі та зберігаються у вигляді знімка мультимодального компасу. Порівняння ефективності використання або сонця, або вітру як орієнтир показало, що жуки більше використовую той орієнтир, який надає їм більше інформації. Другий застосовується як запасний або доповнює.
Це може здатися дуже звичайною справою для нас, але не варто забувати, що і мозок у нас набагато більший, ніж у маленького жучка. Але, як ми зрозуміли, навіть найменші створіння здатні на складні розумові процеси, бо в умовах дикої природи твоє виживання залежить або від сили або від розуму, а найчастіше від комбінації обох.
П'ятничний офф-топ:
За видобуток б'ються навіть жуки. І неважливо, що видобуток це кулька гною.
(BBC Earth, Девід Аттенборо)
Дякую за увагу, залишайтесь цікавими та відмінними всіх вихідних, хлопці! 🙂
Дякую, що залишаєтеся з нами. Вам подобаються наші статті? Бажаєте бачити більше цікавих матеріалів? Підтримайте нас, оформивши замовлення або порекомендувавши знайомим, 30% знижка для користувачів Хабра на унікальний аналог entry-level серверів, який був винайдений нами для Вас: (Доступні варіанти з RAID1 і RAID10, до 24 ядер і до 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 рази дешевше? Тільки в нас у Нідерландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – від $99! Читайте про те
Джерело: habr.com