GPS для навозного жука: мультимодальная система ориентирования

Есть вопросы, которые мы задавали либо пытались на них ответить: почему небо синее, сколько звезд на небосводе, кто сильнее — белая акула или косатка и т.д. А есть вопросы, которые мы не задавали, но ответ от этого менее интересным не становится. К таким вопросам можно отнести следующий — что такого важного решили исследовать ученые из Лундского (Швеция), Витватерсрандского (ЮАР), Стокгольмского (Швеция) и Вюрцбургского (Германия) университетов вместе взятых? Наверное, это что-то очень важное, очень сложное и невероятно полезное. Ну, насчет этого однозначно сказать сложно, но это точно весьма занимательно, а именно — как ориентируются в пространстве жуки-навозники. На первый взгляд тут все тривиально, но наш мир полон вещей, которые не так просты как кажутся и жуки-навозники тому подтверждение. Итак, что такого уникального в навигационной системе жука-навозника, как ученые это проверили и при чем тут конкуренция? На эти и другие вопросы мы найдем ответы в докладе исследовательской группы. Поехали.

Главный герой

В первую очередь стоит познакомиться с главным героем этого исследования. Он силен, трудолюбив, настойчив, красив и заботлив. Он — навозный жук из надсемейства скарабеоидных.

Жуки-навозники получили свое не очень привлекательное имя ввиду своих гастрономических предпочтений. С одной стороны это немного мерзковато, но для жука-навозника это отличный источник питательных веществ, от чего большинство видов этого семейства не нуждаются в других источниках пищи и даже воды. Единственным исключением является вид Deltochilum valgum, представители которого любят полакомиться многоножками.

Распространенности жуков-навозников может позавидовать большинство других живых существ, так как они обитают на всех континентах, кроме Антарктиды. Ареал обитания варьируется от прохладных лесов до знойных пустынь. Очевидно, что большое скопление жуков-навозников проще встретить в местах обитания животных, которые являются «заводами» по производству их пищи. Жуки-навозники предпочитают запасаться пищей на будущее.

Небольшой ролик про жуков-навозников и сложности их образа жизни (BBC, Дэвид Аттенборо).

Разные виды жуков обладают своими поведенческими адаптационными особенностями. Одни формируют из навоза шарики, которые катят от места сбора и закапывают в нору. Другие копают тоннели под землей, заполняя их пищей. А третьи, знающие поговорку о Магомете и горе, просто живут в кучках навоза.

Запасы пищи важны для жука, но не столько по причинам самосохранения, сколько по причинам заботы о будущем потомстве. Дело в том, что личинки жуков-навозников живут в том, что их родитель собрал ранее. И чем больше навоза, то есть пищи для личинок, тем больше вероятность, что они выживут.

Что ж, от лирики перейдем непосредственно к самому исследованию.

Как я уже упоминал ранее, некоторые виды жуков-навозников формируют шарики и катят их по прямой линии, не обращая внимания на качество и сложность выбранного маршрута, в нору для хранения. Именно с таким поведением этих жуков мы лучше всего знакомы благодаря многочисленным документальным фильмам. Также нам известно, что помимо силы (некоторые виды могут поднять вес в 1000 раз превышающий их собственный), гастрономических предпочтений и заботливости о потомстве, жуки-навозники прекрасно ориентируются в пространстве. Более того, они являются единственными насекомыми, которые способны ориентироваться ночью по звездам.

В Южной Африке (место проведения наблюдений) жук-навозник, найдя «добычу», формирует шарик и начинает катить его по прямой линии в случайном направлении, главное подальше от конкурентов, которые не постесняются отобрать у него добытую пищу. Следовательно, чтобы побег был эффективен, нужно двигаться в одном и том же направлении все время, не сбиваясь с курса.

Солнце является основным ориентиром, как мы уже знаем, но он не самый надежный. Высота солнца меняется в течение дня, от чего точность ориентирования снижается. Почему же жуки не начинают наматывать круги, путаться в направлении и сверяться с картой каждые 2 минуты? Логично предположить, что солнце не является единственным источником информации для ориентирования в пространстве. И тут ученые предположили, что вторым ориентиром для жуков служит ветер, точнее его направление. Это не уникальная особенность, так как муравьи и даже тараканы способны использовать ветер для поиска пути.

В своем труде ученые решили проверить как жуки-навозники используют эту мультимодальную сенсорную информацию, когда они предпочитают ориентироваться по солнцу, а когда по направлению ветра, и используют ли они оба варианта одновременно. Были проведены наблюдения и измерения в естественной среде обитания испытуемых, а также в смоделированных контролируемых лабораторных условиях.

Результаты исследования

В данном исследовании роль главного испытуемого сыграл жук вида Scarabaeus lamarcki, а наблюдения в естественной среде проводились на территории фермы «Stonehenge», что недалеко Йоханнесбурга (ЮАР).

Изображение №1: изменения скорости ветра в течение суток (А), изменения направления ветра в течение суток (В).

Были проведены предварительные измерения скорости и направления ветра. Ночью скорость была самой низкой (<0,5 м/с), но ближе к рассвету повышалась, достигая суточного пика (3 м/с) в период с 11:00 до 13:00 (высота солнца ∼70°). Показатели скорости примечательны тем, что превышают порог в 0,15 м/с, необходимый для менотаксической ориентации навозных жуков. При этом пик скорости ветра совпадает по времени суток с пиком активности жуков Scarabaeus lamarcki.

Жуки катят свою добычу по прямой линии от места сбора на достаточно большое расстояние. В среднем на весь маршрут уходит 6.1 ± 3.8 минуты. Следовательно, в течение этого отрезка времени они должны соблюдать маршрут максимально точно.

Если же говорить о направлении ветра, то в период максимальной активности жуков (с 06:30 до 18:30) среднее изменение направления ветра в течение временного отрезка в 6 минут составляет не более 27.0°.

Объединяя данные по скорости и направлению ветра в течение дня, ученые считают, что подобных погодных условий достаточно для мультимодального ориентирования жуков.

Изображение №2

Пришло время наблюдений. Чтобы проверить возможное влияние ветра на характеристики ориентации навозных жуков в пространстве, была создана круглая «арена», в центре которой находилась пища. Жуки могли свободно катить сформированные ими шарики в любом направлении от центра при наличии контролируемого стабильного воздушного потока скоростью 3 м/с. Данные тесты проводились в ясные дни, когда высота солнца варьировалась в течение дня следующим образом: ≥75° (высокая), 45–60° (средняя) и 15–30° (низкая).

Изменения воздушного потока и положения солнца могут меняться на 180° между двумя заходами жука (2А). Стоит учесть и тот факт, что склерозом жуки не страдают, а потому после первого захода запоминают выбранный ими маршрут. Зная это, ученые учитывают изменения угла выхода из арены во время последующего захода жука как один из показателей успешности ориентирования.

При высоте солнца ≥75° (высокая) изменения азимута в ответ на изменение направления ветра на 180° между первым и вторым заходами были сгруппированы около 180 ° (P <0,001, V-тест) со средним изменением 166.9 ± 79.3° (2B). При этом изменение положения солнца (было использовано зеркало) на 180° вызвало малозаметную реакцию 13,7 ± 89,1° (нижний круг на 2B).

Любопытно, что при средней и низкой высоте солнца жуки придерживались своих маршрутов, несмотря на изменения направления ветра — средняя высота: -15,9 ± 40,2 °; P < 0,001; низкая высота: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 (2C и 2D). А вот изменения направления солнечных лучей на 180° имело обратную реакцию, то есть радикальное изменение направления маршрута жука — средняя высота: 153,9 ± 83,3°; низкая высота: −162 ± 69,4°; P <0,001 (нижние круги на 2А, 2С и 2D).

Возможно на ориентирование влияет не сам ветер, а запахи. Для проверки этого второй группе испытуемых жуков были удалены дистальные сегменты усиков, отвечающие за обоняние. Изменения маршрута в ответ на изменение направления ветра на 180°, продемонстрированные этими жуками, все еще были значительно сгруппированы вокруг 180°. Другими словами, разницы в степени ориентирования у жуков с и без обоняния фактически нет.

Промежуточный вывод заключается в том, что навозные жуки используют в своем ориентировании солнце и ветер. При этом в контролируемых лабораторных условиях было установлено, что ветровой компас преобладает над солнечным в случае больших высот солнца, но ситуация начинает меняться, когда солнце приближается к горизонту.

Это наблюдение указывает на то, что имеет место динамическая мультимодальная компасная система, в которой взаимодействие между двумя модальностями изменяется в соответствии с сенсорной информацией. То есть жук ориентируется в любое время суток, полагаясь на самый надежный источник информации в данный конкретный момент (солнце низко — ориентир солнце; солнце высоко — ориентир ветер).

Далее ученые решили проверить помогает ли ветер в ориентировании жуков или нет. Для этого была подготовлена арена диаметром 1 м с пищей в центре. Всего жуки осуществили 20 заходов при высоком положении солнца: 10 с ветром и 10 без ветра (2F).

Как и ожидалось, наличие ветра увеличивало точности ориентирования жуков. Отмечается, что в ранних наблюдениях за точностью солнечного компаса изменение азимута между двумя последовательными заходами увеличивается вдвое при высоком положении солнца (> 75°) по сравнению с более низким положением (<60°). Итак, мы поняли, что ветер играет важную роль в ориентировании жуков-навозников, компенсируя неточности солнечного компаса. Но как жук собирает информацию о скорости и направлении ветра? Конечно, очевидней всего, что это происходит посредством усиков. Дабы удостовериться в этом, ученые провели тесты в помещении при постоянном потоке воздуха (3 м/с) с участием двух групп жуков — с усиками и без них (3A).

Изображение №3

В качестве основного критерия точности ориентирования выступило изменение азимута между двумя заходами при изменении направления потока воздуха на 180°.

Изменение направления движения жуков с усиками было сгруппировано около 180°, в отличие от жуков без усиков. Кроме того, среднее абсолютное изменение азимута у жуков без усиков составило 104,4 ± 36,0°, что сильно отличается от абсолютного изменения у жуков с усиками — 141,0 ± 45,0° (график на 3В). То есть жуки без усиков не могли нормально ориентироваться по ветру. Однако они все еще хорошо ориентировались по солнцу.

На изображении 3А показана установка теста для проверки способности жуков комбинировать информацию из различных сенсорных модальностей для корректировки своего маршрута. Для этого в тесте присутствовали оба ориентира (ветер + солнце) во время первого захода либо лишь один ориентир (солнце или ветер) во время второго. Таким образом сравнивалась мультимодальность и унимодальность.

Наблюдения показали, что изменения направления движения жуков после перехода от мульти- к унимодальному ориентиру было сконцентрировано вокруг 0°: только ветер: −8,2 ± 64,3°; только солнце: 16,5 ± 51,6° (графики в центре и справа на 3C).

Такая характеристика ориентирования не отличалась от той, которая была получена при наличии двух (солнце + ветер) ориентиров (график слева на 3С).

Это говорит о том, что в контролируемых условиях жук может использовать один ориентир, если второй не предоставляет достаточной информации, то есть компенсировать неточность одного ориентира вторым.

Если вы думаете, что ученые на этом остановились, то это не так. Далее требовалось проверить насколько хорошо жуки хранят информацию об одном из ориентиров, и используют ли они ее в будущем в качестве дополнения. Для этого было проведено 4 захода: в первом был 1 ориентир (солнце), во втором и третьем был добавлен воздушный поток, а во время четвертого был только воздушный поток. Также был проведен тест, где ориентиры были в обратном порядке: ветер, солнце+ветер, солнце+ветер, солнце.

Предварительная теория заключается в том, что если жуки могут хранить информацию об обоих ориентирах в одной и той же области пространственной памяти в мозге, то они должны сохранять одинаковое направление в первом и четвертом заходах, т.е. изменения в направлении движения должны группироваться около 0°.

Изображение №4

Собранные данные по изменению азимута во время первого и четвертого заходов подтвердили вышеописанное предположение (4А), которое дополнительно было подтверждено и посредством моделирования, результаты которого изображены на графике 4С (слева).

В качестве дополнительной проверки были проведены тесты, где воздушный поток был заменен на пятно ультрафиолета (4B и 4С справа). Результаты были практически идентичны результатам тестов с применением солнца и воздушного потока.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Совокупность результатов экспериментов как в естественной среде, так и в контролируемой показала, что у жуков-навозников зрительная и механосенсорная информация сходятся в общей нейронной сети и сохраняются в виде снимка мультимодального компаса. Сравнение эффективности использования либо солнца, либо ветра в качестве ориентира показало, что жуки больше использую тот ориентир, который предоставляет им больше информации. Второй же применяется как запасной или дополняющий.

Это может показаться весьма обычным делом для нас, но не стоит забывать, что и мозг у нас намного больше, чем у маленького жучка. Но, как мы поняли, даже самые маленькие создания способны на сложные умственные процессы, ибо в условиях дикой природы твое выживание зависит либо от силы, либо от ума, а чаще всего от комбинации обоих.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?