GPS für Mistkäfer: multimodales Orientierungssystem

Es gibt Fragen, die wir gestellt oder zu beantworten versucht haben: Warum ist der Himmel blau, wie viele Sterne sind am Himmel, wer ist stärker - ein weißer Hai oder ein Killerwal usw. Und es gibt Fragen, die wir nicht gestellt haben, aber die Antwort darauf wird nicht weniger interessant. Diese Fragen umfassen Folgendes: Was ist so wichtig, dass Wissenschaftler aus den Universitäten Lund (Schweden), Witwatersrand (Südafrika), Stockholm (Schweden) und Würzburg (Deutschland) beschlossen haben, gemeinsam zu studieren? Dies ist wahrscheinlich etwas sehr Wichtiges, sehr Komplexes und unglaublich Nützliches. Nun, darüber ist es schwer zu sagen, aber es ist definitiv sehr interessant, nämlich wie Mistkäfer im Weltraum navigieren. Auf den ersten Blick ist hier alles trivial, aber unsere Welt ist voller Dinge, die nicht so einfach sind, wie Mistkäfer zu bestätigen scheinen. Was ist also so einzigartig im Navigationssystem eines Mistkäfers, wie Wissenschaftler dies überprüft haben, und was hat die Konkurrenz damit zu tun? Antworten auf diese und andere Fragen finden wir im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Protagonist

Zunächst lohnt es sich, die Hauptfigur dieser Studie kennenzulernen. Er ist stark, fleißig, hartnäckig, schön und fürsorglich. Er ist ein Mistkäfer aus der Überfamilie der Skarabäus.



Mistkäfer erhielten aufgrund ihrer gastronomischen Vorlieben ihren nicht sehr attraktiven Namen. Einerseits ist dies ein wenig ekelhaft, aber für einen Mistkäfer ist es eine ausgezeichnete Nährstoffquelle, aus der die meisten Arten dieser Familie keine anderen Nahrungsquellen und sogar Wasser benötigen. Die einzige Ausnahme bildet die Art Deltochilum valgum, deren Vertreter gerne Tausendfüßler essen.

Die Verbreitung von Mistkäfern kann von den meisten anderen Lebewesen beneidet werden, da sie auf allen Kontinenten außer der Antarktis leben. Der Lebensraum reicht von kühlen Wäldern bis zu schwülen Wüsten. Offensichtlich ist eine große Ansammlung von Mistkäfern in den Lebensräumen von Tieren, die die "Fabriken" für die Herstellung ihrer Lebensmittel sind, leichter zu finden. Mistkäfer bevorzugen es, sich für die Zukunft mit Lebensmitteln zu versorgen.


Ein kleines Video über Mistkäfer und die Schwierigkeiten ihres Lebensstils (BBC, David Attenborough).

Verschiedene Käferarten haben ihre eigenen Verhaltensanpassungsmerkmale. Einige bilden Kugeln aus Gülle, die von der Sammelstelle gerollt und in einem Loch vergraben werden. Andere graben unterirdische Tunnel und füllen sie mit Lebensmitteln. Und der dritte, der das Sprichwort über Mohammed und Trauer kennt, lebt einfach in Misthaufen.

Nahrungsvorräte sind für den Käfer wichtig, aber nicht so sehr aus Gründen der Selbsterhaltung, sondern aus Gründen der Sorge um zukünftige Nachkommen. Tatsache ist, dass die Larven von Mistkäfern in dem leben, was ihre Eltern zuvor gesammelt haben. Und je mehr Gülle, dh Nahrung für die Larven, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie überleben.


Nun, von den Texten gehen wir direkt zur Studie selbst.

Wie ich bereits erwähnt habe, bilden einige Arten von Mistkäfern Kugeln und rollen sie in einer geraden Linie, ohne auf die Qualität und Komplexität der gewählten Route zu achten, in ein Loch zur Lagerung. Es ist dieses Verhalten dieser Fehler, das wir dank zahlreicher Dokumentarfilme am besten kennen. Wir wissen auch, dass Mistkäfer neben der Kraft (einige Arten können das 1000-fache ihres Gewichts erhöhen), den gastronomischen Vorlieben und der Pflege der Nachkommen auch gut im Weltraum orientiert sind. Darüber hinaus sind sie die einzigen Insekten, die nachts durch die Sterne navigieren können.

In Südafrika (dem Beobachtungsort) bildet ein Mistkäfer, der "Beute" findet, einen Ball und beginnt, ihn in einer geraden Linie in zufälliger Richtung zu rollen, vor allem weg von Konkurrenten, die nicht zögern, ihr Essen wegzunehmen. Damit die Flucht effektiv ist, müssen Sie sich die ganze Zeit in die gleiche Richtung bewegen, ohne Ihren Kurs zu verlieren.

Die Sonne ist, wie wir bereits wissen, die wichtigste Richtlinie, aber nicht die zuverlässigste. Die Höhe der Sonne ändert sich im Laufe des Tages, wodurch die Genauigkeit der Ausrichtung abnimmt. Warum fangen die Käfer nicht an, Kreise zu wickeln, werden in die Richtung verwirrt und überprüfen die Karte alle 2 Minuten? Es ist logisch anzunehmen, dass die Sonne nicht die einzige Informationsquelle zur Orientierung im Raum ist. Und dann schlugen Wissenschaftler vor, dass die zweite Richtlinie für Käfer der Wind oder vielmehr seine Richtung ist. Dies ist kein einzigartiges Merkmal, da Ameisen und sogar Kakerlaken den Wind nutzen können, um sich zurechtzufinden.

In ihrer Arbeit beschlossen die Wissenschaftler zu überprüfen, wie Mistkäfer diese multimodalen sensorischen Informationen nutzen, wenn sie lieber in der Sonne und in Windrichtung navigieren und ob sie beide Optionen gleichzeitig nutzen. Beobachtungen und Messungen wurden im natürlichen Lebensraum der Probanden sowie unter simulierten kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt.

Forschungsergebnisse

In dieser Studie spielte ein Käfer der Art Scarabaeus lamarcki die Rolle des Hauptthemas, und Beobachtungen in der natürlichen Umgebung wurden auf dem Gebiet der Stonehenge-Farm in der Nähe von Johannesburg (Südafrika) durchgeführt.


Bild Nr. 1: Änderungen der Windgeschwindigkeit während des Tages ( A ), Änderungen der Windrichtung während des Tages ( B ).

Vorläufige Messungen der Windgeschwindigkeit und -richtung wurden durchgeführt. Nachts war die Geschwindigkeit am niedrigsten (<0,5 m / s), stieg jedoch gegen Morgengrauen an und erreichte von 11:00 bis 13:00 Uhr (Sonnenhöhe ∼70 °) einen täglichen Höhepunkt (3 m / s).

Geschwindigkeitsindikatoren sind insofern bemerkenswert, als sie die für die menotaktische Ausrichtung von Mistkäfern erforderliche Schwelle von 0,15 m / s überschreiten. In diesem Fall fällt der Höhepunkt der Windgeschwindigkeit zur Tageszeit mit dem Höhepunkt der Aktivität der Scarabaeus lamarcki- Käfer zusammen.

Käfer rollen ihre Beute in einer geraden Linie vom Sammelpunkt bis zu einer ziemlich großen Entfernung. Im Durchschnitt dauert die gesamte Strecke 6,1 ± 3,8 Minuten. Daher müssen sie während dieser Zeit der Route so genau wie möglich folgen.

Wenn wir über die Windrichtung sprechen, beträgt die durchschnittliche Änderung der Windrichtung während eines Zeitraums von 6 Minuten während des Zeitraums maximaler Aktivität der Käfer (von 06:30 bis 18:30 Uhr) nicht mehr als 27,0 °.

Wissenschaftler kombinieren Daten zu Windgeschwindigkeit und Windrichtung während des Tages und glauben, dass solche Wetterbedingungen für die multimodale Ausrichtung von Käfern ausreichen.


Bild Nr. 2

Es ist Zeit für Beobachtung. Um den möglichen Einfluss des Windes auf die Orientierungseigenschaften von Mistkäfern im Weltraum zu überprüfen, wurde eine runde "Arena" geschaffen, in deren Zentrum sich Nahrung befand. Käfer konnten die von ihnen gebildeten Kugeln mit einem kontrollierten stabilen Luftstrom von 3 m / s frei in jede Richtung von der Mitte aus rollen. Diese Tests wurden an klaren Tagen durchgeführt, an denen die Sonnenhöhe tagsüber wie folgt variierte: ≥ 75 ° (hoch), 45–60 ° (mittel) und 15–30 ° (niedrig).

Änderungen des Luftstroms und des Sonnenstandes können zwischen zwei Käfersätzen ( 2A ) um 180 ° variieren. Es ist zu berücksichtigen, dass Käfer nicht an Sklerose leiden und sich daher nach dem ersten Anruf an die von ihnen gewählte Route erinnern. In diesem Wissen berücksichtigen die Wissenschaftler Änderungen des Austrittswinkels aus der Arena während der anschließenden Annäherung des Käfers als einen der Indikatoren für eine erfolgreiche Orientierung.

Bei einer Sonnenhöhe von ≥ 75 ° (hoch) wurden Azimutänderungen als Reaktion auf eine Änderung der Windrichtung um 180 ° zwischen dem ersten und dem zweiten Satz um 180 ° (P <0,001, V-Test) mit einer durchschnittlichen Änderung von 166,9 ± 79,3 ° ( 2B ) gruppiert. In diesem Fall verursachte eine Änderung des Sonnenstandes um 180 ° (ein Spiegel wurde verwendet) eine subtile Reaktion von 13,7 ± 89,1 ° (unterer Kreis um 2B ).

Es ist interessant, dass die Käfer in mittleren und niedrigen Sonnenhöhen trotz Änderungen in Windrichtung ihre Routen beibehalten haben - durchschnittliche Höhe: -15,9 ± 40,2 °; P <0,001; geringe Höhe: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 ( 2C und 2D ). Eine Änderung der Richtung der Sonnenstrahlen um 180 ° hatte jedoch die entgegengesetzte Reaktion, dh eine radikale Änderung der Richtung der Käferroute - die durchschnittliche Höhe: 153,9 ± 83,3 °; niedrige Höhe: –162 ± 69,4 °; P <0,001 (untere Kreise auf 2A , 2C und 2D ).

Vielleicht wird die Orientierung nicht vom Wind selbst beeinflusst, sondern von Gerüchen. Um dies zu testen, wurden die für den Geruchssinn verantwortlichen distalen Antennensegmente aus der zweiten Gruppe von Testkäfern entfernt. Routenänderungen als Reaktion auf eine Änderung der Windrichtung um 180 °, die durch diese Fehler gezeigt wurde, waren immer noch signifikant um 180 ° gruppiert. Mit anderen Worten, es gibt praktisch keinen Orientierungsunterschied zwischen Käfern mit und ohne Geruch.

Eine Zwischenschlussfolgerung ist, dass Mistkäfer Sonne und Wind in ihrer Ausrichtung verwenden. Darüber hinaus wurde unter kontrollierten Laborbedingungen festgestellt, dass bei großen Sonnenhöhen der Windkompass über der Sonne herrscht. Die Situation beginnt sich jedoch zu ändern, wenn sich die Sonne dem Horizont nähert.

Diese Beobachtung zeigt, dass es ein dynamisches multimodales Kompasssystem gibt, bei dem sich die Interaktion zwischen den beiden Modalitäten entsprechend den sensorischen Informationen ändert. Das heißt, der Fehler wird zu jeder Tageszeit geführt und stützt sich auf die zuverlässigste Informationsquelle in diesem bestimmten Moment (die Sonne steht tief - das Wahrzeichen der Sonne; die Sonne steht hoch - das Wahrzeichen des Windes).

Als nächstes beschlossen die Wissenschaftler zu prüfen, ob der Wind bei der Orientierung der Käfer hilft oder nicht. Zu diesem Zweck wurde eine Arena mit einem Durchmesser von 1 m mit Lebensmitteln in der Mitte vorbereitet. Insgesamt machten die Käfer 20 Sätze mit einem hohen Sonnenstand: 10 mit dem Wind und 10 ohne den Wind ( 2F ).

Wie erwartet erhöhte das Vorhandensein von Wind die Genauigkeit der Orientierung der Käfer. Es wird angemerkt, dass bei frühen Beobachtungen der Genauigkeit des Sonnenkompasses die Änderung des Azimuts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Sätzen bei einer hohen Sonnenposition (> 75 °) im Vergleich zu einer niedrigeren Position (<60 °) verdoppelt wird.

Wir haben erkannt, dass der Wind eine wichtige Rolle bei der Ausrichtung von Mistkäfern spielt und die Ungenauigkeiten des Sonnenkompasses ausgleicht. Aber wie sammelt ein Fehler Informationen über Windgeschwindigkeit und Windrichtung? Das offensichtlichste ist natürlich, dass dies über die Antennen geschieht. Um dies zu überprüfen, führten die Wissenschaftler Tests in einem Raum mit konstantem Luftstrom (3 m / s) durch, an dem zwei Käfergruppen teilnahmen - mit und ohne Antennen ( 3A ).


Bild Nr. 3

Das Hauptkriterium für die Genauigkeit der Orientierung war die Änderung des Azimuts zwischen zwei Ansätzen, wenn die Richtung des Luftstroms um 180 ° geändert wurde.

Eine Änderung der Bewegungsrichtung von Käfern mit Antennen wurde im Gegensatz zu Käfern ohne Antennen um 180 ° gruppiert. Darüber hinaus betrug die durchschnittliche absolute Änderung des Azimuts bei Käfern ohne Antenne 104,4 ± 36,0 °, was sich stark von der absoluten Änderung bei Käfern mit Antennen von 141,0 ± 45,0 ° unterscheidet ( 3-V- Grafik). Das heißt, Käfer ohne Antennen konnten normalerweise nicht im Wind navigieren. Sie waren jedoch immer noch gut in der Sonne orientiert.

Fig. 3A zeigt einen Testaufbau zum Testen der Fähigkeit von Käfern, Informationen aus verschiedenen sensorischen Modalitäten zu kombinieren, um ihre Route anzupassen. Hierzu waren im ersten Sonnenuntergang beide Orientierungspunkte (Wind + Sonne) oder im zweiten nur ein Orientierungspunkt (Sonne oder Wind) vorhanden. Daher wurden Multimodalität und Unimodalität verglichen.

Beobachtungen zeigten, dass Änderungen in der Bewegungsrichtung von Käfern nach dem Wechsel von einem multi- zu einem unimodalen Referenzpunkt um 0 ° konzentriert waren: nur Wind: –8,2 ± 64,3 °; nur die Sonne: 16,5 ± 51,6 ° (Grafiken in der Mitte und rechts bei 3 ° C ).

Dieses Orientierungsmerkmal unterschied sich nicht von dem, das bei Vorhandensein von zwei (Sonne + Wind) Landmarken erhalten wurde (Grafik links bei 3 ° C ).

Dies legt nahe, dass der Käfer unter kontrollierten Bedingungen eine Landmarke verwenden kann, wenn die zweite nicht genügend Informationen liefert, dh die Ungenauigkeit einer Landmarke mit der zweiten kompensiert.

Wenn Sie glauben, dass Wissenschaftler damit aufgehört haben, dann ist dies nicht der Fall. Als nächstes musste überprüft werden, wie gut die Fehler Informationen über eines der Wahrzeichen speichern und ob sie diese in Zukunft als Ergänzung verwenden. Hierzu wurden 4 Anrufe getätigt: Im ersten gab es 1 Orientierungspunkt (Sonne), im zweiten und dritten wurde Luftstrom hinzugefügt, und im vierten gab es nur Luftstrom. Es wurde auch ein Test durchgeführt, bei dem die Orientierungspunkte in umgekehrter Reihenfolge waren: Wind, Sonne + Wind, Sonne + Wind, Sonne.

Die vorläufige Theorie besagt, dass Käfer, wenn sie Informationen über beide Landmarken im gleichen Bereich des räumlichen Gedächtnisses im Gehirn speichern können, beim ersten und vierten Ansatz die gleiche Richtung beibehalten sollten, d. H. Änderungen der Fahrtrichtung sollten um 0 ° gruppiert werden.


Bild Nr. 4

Die gesammelten Daten zur Änderung des Azimuts während des ersten und vierten Ansatzes bestätigten die obige Annahme (4A), die zusätzlich durch Modellierung bestätigt wurde, deren Ergebnisse in Grafik 4C (links) gezeigt sind.

Als zusätzliche Kontrolle wurden Tests durchgeführt, bei denen der Luftstrom durch einen ultravioletten Fleck (4B und 4C rechts) ersetzt wurde. Die Ergebnisse waren nahezu identisch mit den Ergebnissen von Tests unter Verwendung des Sonnen- und Luftstroms.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Die experimentellen Ergebnisse sowohl in der natürlichen als auch in der kontrollierten Umgebung zeigten, dass bei Mistkäfern visuelle und mechanosensorische Informationen in einem gemeinsamen neuronalen Netzwerk zusammenlaufen und als multimodales Kompassbild gespeichert werden. Ein Vergleich der Wirksamkeit der Verwendung von Sonne oder Wind als Richtlinie ergab, dass Käfer die Richtlinie verwenden, die ihnen weitere Informationen liefert. Die zweite wird als Ersatz oder Ergänzung verwendet.

Dies mag für uns sehr häufig erscheinen, aber vergessen Sie nicht, dass unser Gehirn viel größer ist als das eines kleinen Käfers. Aber wie wir verstanden haben, sind selbst die kleinsten Kreaturen zu komplexen mentalen Prozessen fähig, denn in freier Wildbahn hängt Ihr Überleben entweder von der Stärke oder vom Verstand ab und meistens von einer Kombination aus beiden.


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