GPS untuk kumbang kotoran: sistem orientasi multimodal

Ada pertanyaan yang kami tanyakan atau coba jawab: mengapa langit biru, berapa bintang di langit, siapa yang lebih kuat - hiu putih atau paus pembunuh, dll. Dan ada pertanyaan yang tidak kami tanyakan, tetapi jawaban dari ini tidak menjadi kurang menarik. Pertanyaan-pertanyaan ini termasuk yang berikut - apa yang begitu penting sehingga para ilmuwan dari Lund (Swedia), Witwatersrand (Afrika Selatan), Stockholm (Swedia) dan universitas Würzburg (Jerman) memutuskan untuk belajar bersama? Ini mungkin sesuatu yang sangat penting, sangat kompleks dan sangat berguna. Ya, tentang hal ini sulit untuk dikatakan dengan pasti, tetapi itu pasti sangat menarik, yaitu, bagaimana kumbang kotoran menavigasi di ruang angkasa. Pada pandangan pertama, semuanya sepele di sini, tetapi dunia kita penuh dengan hal-hal yang tidak sesederhana kumbang kotoran tampaknya untuk mengonfirmasi. Jadi, apa yang begitu unik dalam sistem navigasi kumbang kotoran ketika para ilmuwan telah memverifikasi ini dan apa hubungan kompetisi dengan itu? Kami akan menemukan jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Protagonis

Pertama-tama, ada baiknya mengenal karakter utama penelitian ini. Ia kuat, pekerja keras, gigih, cantik, dan penuh perhatian. Dia adalah kumbang kotoran dari keluarga super dari scaraboid.



Kumbang kotoran mendapatkan nama yang tidak terlalu menarik karena preferensi gastronomi mereka. Di satu sisi, ini sedikit menjijikkan, tetapi bagi kumbang kotoran, ia merupakan sumber nutrisi yang sangat baik, di mana sebagian besar spesies keluarga ini tidak memerlukan sumber makanan lain dan bahkan air. Satu-satunya pengecualian adalah spesies Deltochilum valgum, yang wakilnya suka makan kelabang.

Prevalensi kumbang kotoran dapat dibuat iri oleh sebagian besar makhluk hidup lainnya, karena mereka hidup di semua benua kecuali Antartika. Habitat berkisar dari hutan sejuk hingga gurun yang gerah. Jelas, akumulasi besar kumbang kotoran lebih mudah ditemukan di habitat hewan, yang merupakan "pabrik" untuk produksi makanan mereka. Kumbang kotoran lebih suka menyimpan makanan untuk masa depan.


Sebuah video kecil tentang kumbang kotoran dan kesulitan gaya hidup mereka (BBC, David Attenborough).

Berbagai jenis kumbang memiliki fitur adaptasi perilaku mereka sendiri. Beberapa bentuk bola dari kotoran, yang digulung dari titik pengumpulan dan dikubur dalam lubang. Yang lain menggali terowongan di bawah tanah, mengisinya dengan makanan. Dan yang ketiga, mengetahui pepatah tentang Muhammad dan kesedihan, hidup dalam tumpukan pupuk.

Stok makanan penting bagi kumbang, tetapi tidak banyak untuk alasan pemeliharaan diri, tetapi untuk alasan kepedulian terhadap keturunan di masa depan. Faktanya adalah bahwa larva kumbang kotoran hidup dalam apa yang dikumpulkan orang tua mereka sebelumnya. Dan semakin banyak pupuk kandang, yaitu makanan untuk larva, semakin besar kemungkinan mereka akan bertahan hidup.


Nah, dari lirik kita langsung ke ruang belajar sendiri.

Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, beberapa spesies kumbang kotoran membentuk bola dan menggulungnya dalam garis lurus, tidak memperhatikan kualitas dan kompleksitas rute yang dipilih, ke dalam lubang untuk penyimpanan. Perilaku bug-bug inilah yang paling kami kenali berkat banyak film dokumenter. Kita juga tahu bahwa selain kekuatan (beberapa spesies dapat menambah berat 1000 kali lebih besar dari mereka sendiri), preferensi gastronomi dan merawat keturunan, kumbang kotoran sangat berorientasi di ruang angkasa. Selain itu, mereka adalah satu-satunya serangga yang mampu menavigasi bintang-bintang di malam hari.

Di Afrika Selatan (tempat pengamatan), kumbang kotoran, menemukan "mangsa", membentuk bola dan mulai menggulungnya dalam garis lurus ke arah yang acak, yang paling penting jauh dari pesaing yang tidak ragu untuk mengambil makanan mereka. Karena itu, agar pelarian menjadi efektif, Anda harus bergerak ke arah yang sama setiap saat, tanpa kehilangan arah.

Matahari adalah pedoman utama, seperti yang sudah kita ketahui, tetapi itu bukan yang paling bisa diandalkan. Ketinggian matahari berubah pada siang hari, dari mana akurasi orientasi menurun. Mengapa bug tidak mulai berputar-putar, bingung arah dan memeriksa peta setiap 2 menit? Adalah logis untuk berasumsi bahwa matahari bukan satu-satunya sumber informasi untuk orientasi dalam ruang. Dan kemudian para ilmuwan menyarankan bahwa pedoman kedua untuk kumbang adalah angin, atau lebih tepatnya arahnya. Ini bukan fitur yang unik, karena semut dan bahkan kecoak dapat menggunakan angin untuk menemukan jalan mereka.

Dalam karya mereka, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa bagaimana kumbang kotoran menggunakan informasi sensor multimodal ini ketika mereka lebih suka menavigasi di bawah sinar matahari, dan kapan ke arah angin, dan apakah mereka menggunakan kedua opsi pada saat yang sama. Pengamatan dan pengukuran dilakukan di habitat alami subjek, serta dalam kondisi laboratorium terkontrol disimulasikan.

Hasil penelitian

Dalam studi ini, peran subjek utama dimainkan oleh kumbang spesies Scarabaeus lamarcki , dan pengamatan di lingkungan alam dilakukan di wilayah pertanian Stonehenge, dekat Johannesburg (Afrika Selatan).


Gambar No. 1: perubahan kecepatan angin di siang hari ( A ), perubahan arah angin di siang hari ( B ).

Pengukuran awal kecepatan dan arah angin dilakukan. Pada malam hari, kecepatan adalah yang terendah (<0,5 m / dtk), tetapi meningkat menjelang fajar, mencapai puncak harian (3 m / dtk) dari 11:00 hingga 13:00 (ketinggian matahari ∼70 °).

Indikator kecepatan penting karena melebihi ambang batas 0,15 m / s, yang diperlukan untuk orientasi menotaktik kumbang kotoran. Dalam hal ini, puncak kecepatan angin bertepatan pada waktu hari dengan puncak aktivitas kumbang Scarabaeus lamarcki .

Kumbang menggulung mangsanya dalam garis lurus dari titik pengumpulan ke jarak yang cukup besar. Rata-rata, seluruh rute membutuhkan 6,1 ± 3,8 menit. Karena itu, selama periode waktu ini, mereka harus mengikuti rute seakurat mungkin.

Jika kita berbicara tentang arah angin, maka selama periode aktivitas maksimum kumbang (dari 06:30 hingga 18:30), rata-rata perubahan arah angin selama periode waktu 6 menit tidak lebih dari 27,0 °.

Menggabungkan data tentang kecepatan dan arah angin pada siang hari, para ilmuwan percaya bahwa kondisi cuaca seperti itu cukup untuk orientasi kumbang multimoda.


Gambar No. 2

Sudah waktunya untuk observasi. Untuk memeriksa kemungkinan pengaruh angin pada karakteristik orientasi kumbang kotoran di ruang angkasa, sebuah "arena" bulat telah dibuat, di tengah-tengahnya terdapat makanan. Kumbang dapat dengan bebas menggulung bola yang mereka bentuk ke segala arah dari pusat dengan aliran udara stabil yang terkendali 3 m / s. Tes ini dilakukan pada hari yang cerah ketika ketinggian matahari bervariasi pada siang hari sebagai berikut: ≥75 ° (tinggi), 45-60 ° (sedang) dan 15-30 ° (rendah).

Perubahan aliran udara dan posisi matahari dapat bervariasi 180 ° antara dua set kumbang ( 2A ). Perlu mempertimbangkan fakta bahwa kumbang tidak menderita sklerosis, dan karena itu, setelah panggilan pertama, mereka ingat rute yang mereka pilih. Mengetahui hal ini, para ilmuwan memperhitungkan perubahan sudut keluar dari arena selama pendekatan kumbang berikutnya sebagai salah satu indikator orientasi yang berhasil.

Pada ketinggian matahari ≥75 ° (tinggi), perubahan azimuth sebagai respons terhadap perubahan 180 ° dalam arah angin antara set pertama dan kedua dikelompokkan sekitar 180 ° (P <0,001, uji-V) dengan perubahan rata-rata 166,9 ± 79,3 ° ( 2B ). Dalam hal ini, perubahan 180 ° pada posisi matahari (cermin digunakan) menyebabkan reaksi halus 13,7 ± 89,1 ° (lingkaran bawah 2B ).

Sangat menarik bahwa pada ketinggian sedang dan rendah dari matahari kumbang mempertahankan rute mereka, meskipun perubahan arah angin - ketinggian rata-rata: -15,9 ± 40,2 °; P <0,001; ketinggian rendah: 7.1 ± 37.6 °, P <0.001 ( 2C dan 2D ). Tetapi perubahan arah sinar matahari 180 ° memiliki reaksi sebaliknya, yaitu, perubahan radikal dalam arah rute kumbang - ketinggian rata-rata: 153,9 ± 83,3 °; tinggi rendah: −162 ± 69,4 °; P <0,001 (lingkaran lebih rendah pada 2A , 2C dan 2D ).

Mungkin orientasi dipengaruhi bukan oleh angin itu sendiri, tetapi oleh bau. Untuk menguji ini, segmen antena distal yang bertanggung jawab atas indera penciuman dihapus dari kelompok kedua kumbang uji. Perubahan rute sebagai tanggapan terhadap perubahan 180 ° dalam arah angin yang ditunjukkan oleh bug ini masih dikelompokkan secara signifikan di sekitar 180 °. Dengan kata lain, hampir tidak ada perbedaan orientasi antara kumbang dengan dan tanpa bau.

Kesimpulan menengahnya adalah bahwa kumbang kotoran menggunakan matahari dan angin dalam orientasi mereka. Selain itu, di bawah kondisi laboratorium yang dikendalikan, ditemukan bahwa kompas angin berlaku di atas matahari dalam kasus ketinggian matahari, tetapi situasinya mulai berubah ketika matahari mendekati cakrawala.

Pengamatan ini menunjukkan bahwa ada sistem kompas multimodal dinamis di mana interaksi antara dua modalitas berubah sesuai dengan informasi sensorik. Artinya, bug dipandu setiap saat sepanjang hari, mengandalkan sumber informasi yang paling dapat diandalkan pada saat tertentu (matahari rendah - tengara matahari; matahari tinggi - tengara angin).

Selanjutnya, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa apakah angin membantu dalam mengarahkan kumbang atau tidak. Untuk ini, sebuah arena dengan diameter 1 m disiapkan dengan makanan di tengah. Secara total, kumbang membuat 20 set dengan posisi tinggi matahari: 10 dengan angin dan 10 tanpa angin ( 2F ).

Seperti yang diharapkan, kehadiran angin meningkatkan keakuratan orientasi kumbang. Perlu dicatat bahwa dalam pengamatan awal keakuratan kompas matahari, perubahan azimuth antara dua set berturut-turut digandakan pada posisi tinggi matahari (> 75 °) dibandingkan dengan posisi yang lebih rendah (<60 °).

Jadi, kami menyadari bahwa angin memainkan peran penting dalam mengarahkan kumbang kotoran, mengimbangi ketidakakuratan kompas matahari. Tetapi bagaimana bug mengumpulkan informasi tentang kecepatan dan arah angin? Tentu saja, hal yang paling jelas adalah ini terjadi melalui antena. Untuk memverifikasi ini, para ilmuwan melakukan tes di sebuah ruangan dengan aliran udara konstan (3 m / s) dengan partisipasi dua kelompok kumbang - dengan antena dan tanpa mereka ( 3A ).


Gambar No. 3

Kriteria utama untuk keakuratan orientasi adalah perubahan azimuth antara dua pendekatan saat mengubah arah aliran udara sebesar 180 °.

Perubahan arah pergerakan kumbang dengan antena dikelompokkan sekitar 180 °, berbeda dengan kumbang tanpa antena. Selain itu, perubahan absolut rata-rata dalam azimuth pada kumbang tanpa antena adalah 104,4 ± 36,0 °, yang sangat berbeda dari perubahan absolut pada kumbang dengan antena - 141,0 ± 45,0 ° (grafik 3V ). Artinya, kumbang tanpa antena biasanya tidak dapat menavigasi dalam angin. Namun, mereka masih berorientasi baik di bawah sinar matahari.

Gambar 3A menunjukkan pengaturan uji untuk menguji kemampuan kumbang untuk menggabungkan informasi dari berbagai modalitas sensorik untuk menyesuaikan rute mereka. Untuk ini, kedua landmark (angin + matahari) hadir dalam tes selama matahari terbenam pertama atau hanya satu tengara (matahari atau angin) selama yang kedua. Dengan demikian, multimodality dan unimodality dibandingkan.

Pengamatan menunjukkan bahwa perubahan arah pergerakan kumbang setelah beralih dari titik referensi multi ke unimodal terkonsentrasi di sekitar 0 °: hanya angin: −8,2 ± 64,3 °; hanya matahari: 16,5 ± 51,6 ° (grafik di tengah dan tepat di 3C ).

Karakteristik orientasi ini tidak berbeda dari yang diperoleh dengan adanya dua landmark (matahari + angin) (grafik di sebelah kiri pada 3C ).

Ini menunjukkan bahwa dalam kondisi yang terkendali kumbang dapat menggunakan satu landmark, jika yang kedua tidak memberikan informasi yang cukup, yaitu, mengkompensasi ketidakakuratan satu landmark dengan yang kedua.

Jika Anda berpikir bahwa para ilmuwan telah berhenti pada ini, maka ini tidak benar. Selanjutnya, perlu untuk memeriksa seberapa baik bug menyimpan informasi tentang salah satu landmark, dan apakah mereka menggunakannya di masa depan sebagai suplemen. Untuk ini, 4 panggilan dibuat: di pertama ada 1 tengara (matahari), di aliran udara kedua dan ketiga ditambahkan, dan selama keempat hanya ada aliran udara. Tes juga dilakukan di mana tengara berada dalam urutan terbalik: angin, matahari + angin, matahari + angin, matahari.

Teori pendahuluan adalah bahwa jika kumbang dapat menyimpan informasi tentang kedua landmark di area memori spasial yang sama di otak, maka mereka harus menjaga arah yang sama dalam pendekatan pertama dan keempat, mis. perubahan arah perjalanan harus dikelompokkan sekitar 0 °.


Gambar No. 4

Data yang dikumpulkan tentang perubahan azimuth selama pendekatan pertama dan keempat mengkonfirmasi asumsi di atas (4A), yang juga dikonfirmasi oleh pemodelan, yang hasilnya ditunjukkan pada grafik 4C (kiri).

Sebagai pemeriksaan tambahan, tes dilakukan di mana aliran udara digantikan oleh titik ultraviolet (4B dan 4C di sebelah kanan). Hasilnya hampir identik dengan hasil tes menggunakan aliran matahari dan udara.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Himpunan hasil eksperimen baik di lingkungan alami maupun yang terkendali menunjukkan bahwa pada kumbang kotoran, informasi visual dan mekanosensor bertemu dalam jaringan saraf umum dan disimpan sebagai gambar kompas multimoda. Perbandingan efektivitas menggunakan matahari atau angin sebagai pedoman menunjukkan bahwa kumbang menggunakan pedoman yang memberi mereka informasi lebih lanjut. Yang kedua digunakan sebagai cadangan atau pelengkap.

Ini mungkin tampak seperti hal yang sangat umum bagi kita, tetapi jangan lupa bahwa otak kita jauh lebih besar daripada bug kecil. Tetapi, seperti yang kita pahami, bahkan makhluk terkecil pun mampu melakukan proses mental yang kompleks, karena di alam liar, kelangsungan hidup Anda bergantung pada kekuatan atau pikiran, dan paling sering pada kombinasi keduanya.


Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?