GPS pour le coléoptère: système d'orientation multimodal

Il y a des questions que nous avons posées ou essayé d'y répondre: pourquoi le ciel est bleu, combien d'étoiles sont dans le ciel, qui est le plus fort - un requin blanc ou un orque, etc. Et il y a des questions que nous n'avons pas posées, mais la réponse n'en devient pas moins intéressante. Ces questions sont les suivantes: qu'est-ce qui est si important que les scientifiques des universités de Lund (Suède), Witwatersrand (Afrique du Sud), Stockholm (Suède) et Würzburg (Allemagne) ont décidé d'étudier ensemble? C'est probablement quelque chose de très important, de très complexe et incroyablement utile. Eh bien, à ce sujet, c'est difficile à dire avec certitude, mais c'est vraiment très intéressant, à savoir comment les bousiers naviguent dans l'espace. À première vue, tout est trivial ici, mais notre monde regorge de choses qui ne sont pas aussi simples que les coléoptères semblent le confirmer. Alors, qu'est-ce qui est si unique dans le système de navigation d'un coléoptère comme les scientifiques l'ont vérifié et qu'est-ce que la concurrence a à voir avec cela? Nous trouverons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Protagoniste

Tout d'abord, il vaut la peine de connaître le caractère principal de cette étude. Il est fort, travailleur, persistant, beau et attentionné. C'est un coléoptère de la superfamille des scaraboïdes.



Les coléoptères ont obtenu leur nom peu attrayant en raison de leurs préférences gastronomiques. D'une part, c'est un peu dégoûtant, mais pour un scarabée c'est une excellente source de nutriments, dont la plupart des espèces de cette famille n'ont pas besoin d'autres sources de nourriture et même d'eau. La seule exception est l'espèce Deltochilum valgum, dont les représentants aiment manger des mille-pattes.

La prévalence des coléoptères peut être enviée par la plupart des autres créatures vivantes, car ils vivent sur tous les continents sauf l'Antarctique. L'habitat va des forêts fraîches aux déserts sensuels. De toute évidence, une grande accumulation de coléoptères est plus facile à trouver dans les habitats des animaux, qui sont les «usines» pour la production de leur nourriture. Les bousiers préfèrent s'approvisionner en nourriture pour l'avenir.


Une petite vidéo sur les coléoptères et les difficultés de leur mode de vie (BBC, David Attenborough).

Différents types de coléoptères ont leurs propres caractéristiques d'adaptation comportementale. Certains forment des boules de fumier, qui sont roulées du point de collecte et enfouies dans un trou. D'autres creusent des tunnels sous terre, les remplissant de nourriture. Et le troisième, connaissant le proverbe sur Mohammed et le chagrin, vit simplement dans des tas de fumier.

Les stocks de nourriture sont importants pour le scarabée, mais pas tant pour des raisons d'auto-conservation, mais pour des raisons de préoccupation pour la future progéniture. Le fait est que les larves de coléoptères vivent dans ce que leurs parents ont collecté plus tôt. Et plus il y a de fumier, c'est-à-dire de nourriture pour les larves, plus elles ont de chances de survivre.


Eh bien, des paroles, nous allons directement à l'étude elle-même.

Comme je l'ai mentionné plus tôt, certaines espèces de bousiers forment des boules et les roulent en ligne droite, sans prêter attention à la qualité et à la complexité de l'itinéraire choisi, dans un trou pour le stockage. C'est ce comportement de ces bugs que nous connaissons le mieux grâce à de nombreux documentaires. Nous savons également qu'en plus de la force (certaines espèces peuvent augmenter le poids de 1000 fois la leur), les préférences gastronomiques et la prise en charge de la progéniture, les coléoptères sont bien orientés dans l'espace. De plus, ce sont les seuls insectes capables de naviguer dans les étoiles la nuit.

En Afrique du Sud (le lieu d'observation), un scarabée, trouvant "une proie", forme une balle et commence à la faire rouler en ligne droite dans une direction aléatoire, surtout loin des concurrents qui n'hésitent pas à emporter leur nourriture. Par conséquent, pour que l'évasion soit efficace, vous devez toujours vous déplacer dans la même direction, sans perdre votre cap.

Le soleil est la principale directive, comme nous le savons déjà, mais ce n'est pas la plus fiable. La hauteur du soleil change au cours de la journée, à partir de laquelle la précision de l'orientation diminue. Pourquoi les insectes ne commencent-ils pas à tourner en rond, à se confondre dans la direction et à vérifier la carte toutes les 2 minutes? Il est logique de supposer que le soleil n'est pas la seule source d'information pour l'orientation dans l'espace. Et puis les scientifiques ont suggéré que la deuxième ligne directrice pour les coléoptères est le vent, ou plutôt sa direction. Ce n'est pas une caractéristique unique, car les fourmis et même les cafards sont capables d'utiliser le vent pour trouver leur chemin.

Dans leur travail, les scientifiques ont décidé de vérifier comment les coléoptères utilisent ces informations sensorielles multimodales lorsqu'ils préfèrent naviguer au soleil et dans la direction du vent, et s'ils utilisent les deux options en même temps. Des observations et des mesures ont été effectuées dans l'habitat naturel des sujets, ainsi que dans des conditions de laboratoire contrôlées simulées.

Résultats de recherche

Dans cette étude, le rôle du sujet principal a été joué par un scarabée de l'espèce Scarabaeus lamarcki , et des observations en milieu naturel ont été réalisées sur le territoire de la ferme Stonehenge, près de Johannesburg (Afrique du Sud).


Image n ° 1: changements de vitesse du vent pendant la journée ( A ), changements de direction du vent pendant la journée ( B ).

Des mesures préliminaires de la vitesse et de la direction du vent ont été effectuées. La nuit, la vitesse était la plus faible (<0,5 m / s), mais augmentait vers l'aube, atteignant un pic quotidien (3 m / s) de 11h00 à 13h00 (hauteur du soleil ∼70 °).

Les indicateurs de vitesse sont remarquables en ce qu'ils dépassent le seuil de 0,15 m / s, nécessaire à l'orientation ménotactique des coléoptères. Dans ce cas, le pic de vitesse du vent coïncide à l'heure de la journée avec le pic d'activité des scarabées lamarcki .

Les coléoptères roulent leurs proies en ligne droite du point de collecte à une distance assez grande. En moyenne, l'itinéraire complet prend 6,1 ± 3,8 minutes. Par conséquent, pendant cette période, ils doivent suivre l'itinéraire aussi précisément que possible.

Si nous parlons de la direction du vent, alors pendant la période d'activité maximale des coléoptères (de 06h30 à 18h30), le changement moyen dans la direction du vent pendant une période de 6 minutes ne dépasse pas 27,0 °.

En combinant des données sur la vitesse et la direction du vent pendant la journée, les scientifiques pensent que ces conditions météorologiques sont suffisantes pour l'orientation multimodale des coléoptères.


Image n ° 2

Il est temps d'observer. Pour vérifier l'influence possible du vent sur les caractéristiques d'orientation des bousiers dans l'espace, une «arène» ronde a été créée, au centre de laquelle se trouvait de la nourriture. Les coléoptères pouvaient rouler librement les balles qu'ils ont formées dans toutes les directions depuis le centre avec un débit d'air stable contrôlé de 3 m / s. Ces tests ont été effectués par temps clair lorsque la hauteur du soleil variait pendant la journée comme suit: ≥75 ° (haut), 45–60 ° (moyen) et 15–30 ° (bas).

Les changements de flux d'air et de position du soleil peuvent varier de 180 ° entre deux séries de scarabées ( 2A ). Il convient de prendre en compte le fait que les coléoptères ne souffrent pas de sclérose et, par conséquent, après le premier appel, ils se souviennent de la voie qu'ils ont choisie. Sachant cela, les scientifiques prennent en compte les changements d'angle de sortie de l'arène lors de l'approche ultérieure du scarabée comme l'un des indicateurs d'une orientation réussie.

À une hauteur de soleil ≥75 ° (haute), les changements d'azimut en réponse à un changement de 180 ° dans la direction du vent entre le premier et le deuxième ensemble ont été regroupés autour de 180 ° (P <0,001, test V) avec un changement moyen de 166,9 ± 79,3 ° ( 2B ). Dans ce cas, un changement de 180 ° de la position du soleil (un miroir a été utilisé) a provoqué une réaction subtile de 13,7 ± 89,1 ° (cercle inférieur de 2B ).

Il est intéressant de noter qu'à des altitudes moyennes et basses du soleil, les coléoptères ont conservé leur route, malgré les changements de direction du vent - altitude moyenne: -15,9 ± 40,2 °; P <0,001; basse altitude: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 ( 2C et 2D ). Mais un changement de 180 ° dans la direction de la lumière solaire a eu la réaction inverse, c'est-à-dire un changement radical dans la direction de la route du scarabée - la hauteur moyenne: 153,9 ± 83,3 °; faible hauteur: −162 ± 69,4 °; P <0,001 (cercles inférieurs sur 2A , 2C et 2D ).

Peut-être que l'orientation n'est pas affectée par le vent lui-même, mais par les odeurs. Pour tester cela, les segments d'antennes distales responsables de l'odorat ont été retirés du deuxième groupe de coléoptères test. Les changements de route en réponse à un changement de 180 ° de la direction du vent démontré par ces bugs étaient toujours significativement regroupés autour de 180 °. En d'autres termes, il n'y a pratiquement aucune différence d'orientation entre les coléoptères avec et sans odeur.

Une conclusion intermédiaire est que les coléoptères utilisent le soleil et le vent dans leur orientation. De plus, dans des conditions de laboratoire contrôlées, il a été constaté que la boussole éolienne prévaut sur le solaire dans le cas des hautes altitudes du soleil, mais la situation commence à changer lorsque le soleil s'approche de l'horizon.

Cette observation indique qu'il existe un système de boussole multimodal dynamique dans lequel l'interaction entre les deux modalités change en fonction des informations sensorielles. Autrement dit, le bug est guidé à tout moment de la journée, en s'appuyant sur la source d'information la plus fiable à ce moment particulier (le soleil est bas - le point de repère du soleil; le soleil est haut - le point de repère du vent).

Ensuite, les scientifiques ont décidé de vérifier si le vent aide à orienter les coléoptères ou non. Pour cela, une arène d'un diamètre de 1 m a été préparée avec de la nourriture au centre. Au total, les coléoptères ont fait 20 sets avec une position haute du soleil: 10 avec le vent et 10 sans le vent ( 2F ).

Comme prévu, la présence de vent a augmenté la précision de l'orientation des coléoptères. Il est à noter que dans les premières observations de la précision de la boussole solaire, le changement d'azimut entre deux ensembles successifs est doublé en position haute du soleil (> 75 °) par rapport à une position basse (<60 °).

Ainsi, nous avons réalisé que le vent joue un rôle important dans l'orientation des bousiers, compensant les imprécisions de la boussole solaire. Mais comment un bug collecte-t-il des informations sur la vitesse et la direction du vent? Bien sûr, la chose la plus évidente est que cela se produit à travers les antennes. Pour vérifier cela, les scientifiques ont effectué des tests dans une pièce à débit d'air constant (3 m / s) avec la participation de deux groupes de coléoptères - avec et sans antennes ( 3A ).


Image n ° 3

Le principal critère de précision de l'orientation était le changement d'azimut entre deux approches lors du changement de 180 ° de la direction du flux d'air.

Un changement dans la direction du mouvement des coléoptères avec des antennes a été groupé autour de 180 °, contrairement aux coléoptères sans antennes. De plus, le changement absolu moyen de l'azimut chez les coléoptères sans antenne était de 104,4 ± 36,0 °, ce qui est très différent du changement absolu des coléoptères avec antennes - 141,0 ± 45,0 ° (graphique 3V ). Autrement dit, les coléoptères sans antennes ne pouvaient normalement pas naviguer dans le vent. Cependant, ils étaient toujours bien orientés au soleil.

La figure 3A montre une configuration de test pour tester la capacité des coléoptères à combiner les informations de diverses modalités sensorielles pour ajuster leur itinéraire. Pour cela, les deux repères (vent + soleil) étaient présents dans le test lors du premier coucher de soleil ou un seul repère (soleil ou vent) lors du second. Ainsi, la multimodalité et l'unimodalité ont été comparées.

Les observations ont montré que les changements dans la direction de déplacement des coléoptères après le passage d'un point de référence multimodal à unimodal étaient concentrés autour de 0 °: seul vent: −8,2 ± 64,3 °; seul le soleil: 16,5 ± 51,6 ° (graphiques au centre et à droite à 3C ).

Cette caractéristique d'orientation ne diffère pas de celle obtenue en présence de deux repères (soleil + vent) (graphique à gauche à 3C ).

Cela suggère que, dans des conditions contrôlées, le scarabée peut utiliser un point de repère, si le second ne fournit pas suffisamment d'informations, c'est-à-dire compenser l'inexactitude d'un point de repère avec le second.

Si vous pensez que les scientifiques se sont arrêtés à cela, ce n'est pas le cas. Ensuite, il a été nécessaire de vérifier dans quelle mesure les bogues stockent les informations sur l'un des points de repère et s'ils l'utilisent à l'avenir comme complément. Pour cela, 4 appels ont été effectués: dans le premier, il y avait 1 point de repère (soleil), dans les deuxième et troisième flux d'air, et pendant le quatrième, il n'y avait que du flux d'air. Un test a également été réalisé où les repères étaient dans l'ordre inverse: vent, soleil + vent, soleil + vent, soleil.

La théorie préliminaire est que si les coléoptères peuvent stocker des informations sur les deux points de repère dans la même zone de mémoire spatiale dans le cerveau, alors ils devraient garder la même direction dans les première et quatrième approches, c'est-à-dire les changements de direction doivent être regroupés autour de 0 °.


Image n ° 4

Les données collectées sur le changement d'azimut au cours des première et quatrième approches ont confirmé l'hypothèse ci-dessus (4A), qui a également été confirmée par modélisation, dont les résultats sont présentés sur le graphique 4C (à gauche).

À titre de vérification supplémentaire, des tests ont été effectués où le flux d'air a été remplacé par une tache ultraviolette (4B et 4C à droite). Les résultats étaient presque identiques aux résultats des tests utilisant le soleil et le flux d'air.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

L'ensemble des résultats expérimentaux à la fois dans l'environnement naturel et dans l'environnement contrôlé a montré que dans les bousiers, les informations visuelles et mécanosensorielles convergent dans un réseau neuronal commun et sont enregistrées sous la forme d'une image de boussole multimodale. Une comparaison de l'efficacité de l'utilisation du soleil ou du vent comme ligne directrice a montré que les coléoptères utilisent la ligne directrice qui leur fournit plus d'informations. Le second est utilisé comme pièce de rechange ou complémentaire.

Cela peut sembler être une chose très courante pour nous, mais n'oubliez pas que notre cerveau est beaucoup plus gros que celui d'un petit bug. Mais, comme nous l'avons compris, même les plus petites créatures sont capables de processus mentaux complexes, car dans la nature, votre survie dépend de la force ou de l'esprit, et le plus souvent d'une combinaison des deux.


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