GPS para escarabajo de estiércol: sistema de orientación multimodal

Hay preguntas que les hicimos o tratamos de responder: por qué el cielo es azul, cuántas estrellas hay en el cielo, quién es más fuerte: un tiburón blanco o una orca, etc. Y hay preguntas que no hicimos, pero la respuesta de esto no se vuelve menos interesante. Estas preguntas incluyen lo siguiente: ¿qué es tan importante que los científicos de las universidades de Lund (Suecia), Witwatersrand (Sudáfrica), Estocolmo (Suecia) y Würzburg (Alemania) decidieron estudiar juntos? Esto es probablemente algo muy importante, muy complejo e increíblemente útil. Bueno, sobre esto es difícil decirlo con certeza, pero definitivamente es muy interesante, a saber, cómo los escarabajos de estiércol navegan en el espacio. A primera vista, todo es trivial aquí, pero nuestro mundo está lleno de cosas que no son tan simples como parecen confirmar los escarabajos de estiércol. Entonces, ¿qué es tan único en el sistema de navegación de un escarabajo de estiércol ya que los científicos han verificado esto y qué tiene que ver la competencia con él? Encontraremos respuestas a estas y otras preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos

Protagonista

En primer lugar, vale la pena conocer al personaje principal de este estudio. Es fuerte, trabajador, persistente, bello y afectuoso. Es un escarabajo de estiércol de la superfamilia de los escaraboides.



Los escarabajos de estiércol obtuvieron su nombre no muy atractivo debido a sus preferencias gastronómicas. Por un lado, esto es un poco desagradable, pero para un escarabajo de estiércol es una excelente fuente de nutrientes, de los cuales la mayoría de las especies de esta familia no necesitan otras fuentes de alimentos e incluso agua. La única excepción es la especie Deltochilum valgum, a cuyos representantes les gusta comer ciempiés.

La prevalencia de los escarabajos de estiércol puede ser envidiada por la mayoría de las demás criaturas vivientes, ya que viven en todos los continentes, excepto en la Antártida. El hábitat va desde bosques fríos hasta desiertos bochornosos. Obviamente, una gran acumulación de escarabajos de estiércol es más fácil de encontrar en los hábitats de los animales, que son las "fábricas" para la producción de sus alimentos. Los escarabajos de estiércol prefieren abastecerse de alimentos para el futuro.


Un pequeño video sobre los escarabajos de estiércol y las dificultades de su estilo de vida (BBC, David Attenborough).

Los diferentes tipos de escarabajos tienen sus propias características de adaptación conductual. Algunos forman bolas de estiércol, que se enrollan desde el punto de recolección y se entierran en un agujero. Otros cavan túneles bajo tierra, llenándolos de comida. Y el tercero, conociendo el proverbio sobre Mahoma y el dolor, simplemente vive en un montón de estiércol.

Las existencias de alimentos son importantes para el escarabajo, pero no tanto por razones de autoconservación, sino por motivos de preocupación para los futuros descendientes. El hecho es que las larvas de los escarabajos de estiércol viven en lo que sus padres recolectaron antes. Y cuanto más estiércol, es decir, alimento para las larvas, más probabilidades hay de que sobrevivan.


Bueno, de la letra vamos directamente al estudio mismo.

Como mencioné anteriormente, algunas especies de escarabajos de estiércol forman bolas y las enrollan en línea recta, sin prestar atención a la calidad y complejidad de la ruta elegida, en un agujero para su almacenamiento. Es este comportamiento de estos errores lo que mejor conocemos gracias a numerosos documentales. También sabemos que además de la fuerza (algunas especies pueden aumentar de peso 1000 veces más que las suyas), las preferencias gastronómicas y el cuidado de la descendencia, los escarabajos de estiércol están bien orientados en el espacio. Además, son los únicos insectos que pueden navegar por las estrellas por la noche.

En Sudáfrica (el lugar de observación), un escarabajo de estiércol, al encontrar "presa", forma una pelota y comienza a rodar en línea recta en una dirección aleatoria, lo más importante lejos de los competidores que no dudan en quitarles la comida. Por lo tanto, para que el escape sea efectivo, debe moverse en la misma dirección todo el tiempo, sin perder su rumbo.

El sol es la guía principal, como ya sabemos, pero no es la más confiable. La altura del sol cambia durante el día, a partir de la cual disminuye la precisión de la orientación. ¿Por qué los insectos no comienzan a enrollarse en círculos, se confunden en la dirección y revisan el mapa cada 2 minutos? Es lógico suponer que el sol no es la única fuente de información para la orientación en el espacio. Y luego, los científicos sugirieron que la segunda guía para los escarabajos es el viento, o más bien su dirección. Esta no es una característica única, ya que las hormigas e incluso las cucarachas pueden usar el viento para encontrar su camino.

En su trabajo, los científicos decidieron verificar cómo los escarabajos de estiércol usan esta información sensorial multimodal cuando prefieren navegar en el sol, y en la dirección del viento, y si usan ambas opciones al mismo tiempo. Se realizaron observaciones y mediciones en el hábitat natural de los sujetos, así como en condiciones de laboratorio controladas simuladas.

Resultados de la investigación

En este estudio, el papel del sujeto principal fue desempeñado por un escarabajo de la especie Scarabaeus lamarcki , y se realizaron observaciones en el entorno natural en el territorio de la granja Stonehenge, cerca de Johannesburgo (Sudáfrica).


Imagen No. 1: cambios en la velocidad del viento durante el día ( A ), cambios en la dirección del viento durante el día ( B ).

Se llevaron a cabo mediciones preliminares de la velocidad y dirección del viento. Por la noche, la velocidad fue la más baja (<0.5 m / s), pero aumentó hacia el amanecer, alcanzando un pico diario (3 m / s) de 11:00 a 13:00 (altura del sol ∼70 °).

Los indicadores de velocidad son notables porque exceden el umbral de 0.15 m / s, necesario para la orientación menotáctica de los escarabajos de estiércol. En este caso, el pico de la velocidad del viento coincide en el momento del día con el pico de actividad de los escarabajos Scarabaeus lamarcki .

Los escarabajos ruedan a sus presas en línea recta desde el punto de recolección a una distancia bastante grande. En promedio, toda la ruta dura 6.1 ± 3.8 minutos. Por lo tanto, durante este período de tiempo, deben seguir la ruta con la mayor precisión posible.

Si hablamos de la dirección del viento, entonces, durante el período de máxima actividad de los escarabajos (de 06:30 a 18:30), el cambio promedio en la dirección del viento durante un período de tiempo de 6 minutos no es más de 27.0 °.

Combinando datos sobre la velocidad y dirección del viento durante el día, los científicos creen que tales condiciones climáticas son suficientes para la orientación multimodal de los escarabajos.


Imagen No. 2

Es hora de observación. Para verificar la posible influencia del viento en las características de orientación de los escarabajos de estiércol en el espacio, se creó una "arena" redonda, en el centro de la cual había comida. Los escarabajos podían rodar libremente las bolas que formaban en cualquier dirección desde el centro con un flujo de aire estable controlado de 3 m / s. Estas pruebas se llevaron a cabo en días despejados cuando la altura del sol varió durante el día de la siguiente manera: ≥75 ° (alto), 45-60 ° (medio) y 15-30 ° (bajo).

Los cambios en el flujo de aire y la posición del sol pueden variar 180 ° entre dos arranques de escarabajos ( 2A ). Vale la pena considerar el hecho de que los escarabajos no sufren de esclerosis y, por lo tanto, después de la primera llamada, recuerdan la ruta que seleccionaron. Sabiendo esto, los científicos tienen en cuenta los cambios en el ángulo de salida de la arena durante el enfoque posterior del escarabajo como uno de los indicadores de una orientación exitosa.

A una altura del sol de ≥75 ° (alto), los cambios de acimut en respuesta a un cambio de 180 ° en la dirección del viento entre el primer y el segundo grupo se agruparon alrededor de 180 ° (P <0.001, prueba V) con un cambio promedio de 166.9 ± 79.3 ° ( 2B ). En este caso, un cambio de 180 ° en la posición del sol (se usó un espejo) causó una reacción sutil de 13.7 ± 89.1 ° (círculo inferior en 2B ).

Es interesante que a elevaciones medias y bajas del sol los escarabajos mantuvieron sus rutas, a pesar de los cambios en la dirección del viento - altitud media: -15.9 ± 40.2 °; P <0,001; baja altitud: 7.1 ± 37.6 °, P <0.001 ( 2C y 2D ). Pero un cambio en la dirección de los rayos del sol en 180 ° tuvo la reacción opuesta, es decir, un cambio radical en la dirección de la ruta del escarabajo: la altura promedio: 153.9 ± 83.3 °; baja altura: −162 ± 69.4 °; P <0.001 (círculos inferiores en 2A , 2C y 2D ).

Quizás la orientación se ve afectada no por el viento en sí, sino por los olores. Para probar esto, los segmentos de antenas distales responsables del sentido del olfato se eliminaron del segundo grupo de escarabajos de prueba. Los cambios de ruta en respuesta a un cambio de 180 ° en la dirección del viento demostrado por estos errores todavía se agruparon significativamente alrededor de 180 °. En otras palabras, prácticamente no hay diferencia en la orientación entre escarabajos con y sin olor.

Una conclusión intermedia es que los escarabajos de estiércol usan el sol y el viento en su orientación. Además, en condiciones controladas de laboratorio, se descubrió que la brújula de viento prevalece sobre la solar en el caso de las grandes altitudes del sol, pero la situación comienza a cambiar cuando el sol se acerca al horizonte.

Esta observación indica que existe un sistema dinámico de brújula multimodal en el que la interacción entre las dos modalidades cambia de acuerdo con la información sensorial. Es decir, el error se guía en cualquier momento del día, confiando en la fuente de información más confiable en este momento en particular (el sol está bajo - el punto de referencia del sol; el sol está alto - el punto de referencia del viento).

Luego, los científicos decidieron verificar si el viento ayuda a orientar a los escarabajos o no. Para esto, se preparó una arena con un diámetro de 1 m con comida en el centro. En total, los escarabajos hicieron 20 juegos con una posición alta del sol: 10 con el viento y 10 sin el viento ( 2F ).

Como se esperaba, la presencia de viento aumentó la precisión de la orientación de los escarabajos. Se observa que en las primeras observaciones de la precisión de la brújula solar, el cambio de acimut entre dos conjuntos sucesivos se duplica en una posición alta del sol (> 75 °) en comparación con una posición más baja (<60 °).

Entonces, nos dimos cuenta de que el viento juega un papel importante en la orientación de los escarabajos de estiércol, compensando las imprecisiones de la brújula solar. Pero, ¿cómo recopila un error información sobre la velocidad y dirección del viento? Por supuesto, lo más obvio es que esto sucede a través de las antenas. Para verificar esto, los científicos realizaron pruebas en una habitación con un flujo de aire constante (3 m / s) con la participación de dos grupos de escarabajos, con antenas y sin ellos ( 3A ).


Imagen No. 3

El criterio principal para la precisión de la orientación fue el cambio de acimut entre dos enfoques al cambiar la dirección del flujo de aire en 180 °.

Un cambio en la dirección del movimiento de los escarabajos con antenas fue agrupado alrededor de 180 °, en contraste con los escarabajos sin antenas. Además, el cambio absoluto promedio en azimut en escarabajos sin antenas fue 104.4 ± 36.0 °, que es muy diferente del cambio absoluto en escarabajos con antenas - 141.0 ± 45.0 ° (gráfico de 3V ). Es decir, los escarabajos sin antenas normalmente no podrían navegar en el viento. Sin embargo, todavía estaban bien orientados al sol.

La Figura 3A muestra una configuración de prueba para probar la capacidad de los escarabajos para combinar información de diversas modalidades sensoriales para ajustar su ruta. Para esto, ambos puntos de referencia (viento + sol) estuvieron presentes en la prueba durante la primera puesta de sol o solo un punto de referencia (sol o viento) durante la segunda. Así, se compararon la multimodalidad y la unimodalidad.

Las observaciones mostraron que los cambios en la dirección del movimiento de los escarabajos después de cambiar de un punto de referencia múltiple a unimodal se concentraron alrededor de 0 °: solo viento: −8.2 ± 64.3 °; solo el sol: 16.5 ± 51.6 ° (gráficos en el centro y a la derecha a 3C ).

Esta característica de orientación no difirió de la que se obtuvo en presencia de dos puntos de referencia (sol + viento) (gráfico de la izquierda a 3C ).

Esto sugiere que, bajo condiciones controladas, el escarabajo puede usar un punto de referencia, si el segundo no proporciona información suficiente, es decir, compensar la inexactitud de un punto de referencia con el segundo.

Si crees que los científicos se han detenido en esto, entonces esto no es así. Luego, fue necesario verificar qué tan bien los errores almacenan información sobre uno de los puntos de referencia, y si lo usarán en el futuro como un suplemento. Para esto, se realizaron 4 llamadas: en la primera hubo 1 punto de referencia (sol), en la segunda y tercera se agregó flujo de aire, y durante la cuarta solo hubo flujo de aire. También se realizó una prueba donde los puntos de referencia estaban en el orden inverso: viento, sol + viento, sol + viento, sol.

La teoría preliminar es que si los escarabajos pueden almacenar información sobre ambos puntos de referencia en la misma área de memoria espacial en el cerebro, entonces deben mantener la misma dirección en los enfoques primero y cuarto, es decir. Los cambios en la dirección de desplazamiento deben agruparse alrededor de 0 °.


Imagen No. 4

Los datos recopilados sobre el cambio en el acimut durante el primer y el cuarto enfoque confirmaron el supuesto anterior (4A), que se confirmó adicionalmente por modelado, cuyos resultados se muestran en el gráfico 4C (izquierda).

Como verificación adicional, se llevaron a cabo pruebas donde el flujo de aire fue reemplazado por un punto ultravioleta (4B y 4C a la derecha). Los resultados fueron casi idénticos a los resultados de las pruebas con el sol y el flujo de aire.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

El conjunto de resultados experimentales tanto en el entorno natural como en el controlado mostró que en los escarabajos de estiércol la información visual y mecanosensorial convergen en una red neuronal común y se guardan como una imagen de brújula multimodal. Una comparación de la efectividad del uso del sol o del viento como guía mostró que los escarabajos usan la guía que les proporciona más información. El segundo se utiliza como repuesto o complementario.

Esto puede parecer algo muy común para nosotros, pero no olvide que nuestro cerebro es mucho más grande que el de un pequeño insecto. Pero, como entendimos, incluso las criaturas más pequeñas son capaces de procesos mentales complejos, porque en la naturaleza, su supervivencia depende de la fuerza o de la mente, y con mayor frecuencia de una combinación de ambos.


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