GPS para escaravelho: sistema de orientação multimodal

Há perguntas que pedimos ou tentamos responder: por que o céu é azul, quantas estrelas estão no céu, quem é mais forte - um tubarão branco ou uma baleia assassina etc. E há perguntas que não fizemos, mas a resposta disso não se torna menos interessante. Essas perguntas incluem o seguinte - o que é tão importante que os cientistas das universidades de Lund (Suécia), Witwatersrand (África do Sul), Estocolmo (Suécia) e Würzburg (Alemanha) decidiram estudar juntos? Provavelmente isso é algo muito importante, muito complexo e incrivelmente útil. Bem, sobre isso é difícil dizer com certeza, mas é definitivamente muito interessante, a saber, como os escaravelhos navegam no espaço. À primeira vista, tudo é trivial aqui, mas nosso mundo está cheio de coisas que não são tão simples quanto os besouros parecem confirmar. Então, o que há de tão único no sistema de navegação de um besouro de esterco como os cientistas verificaram isso e o que a competição tem a ver com isso? Encontraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Protagonista

Antes de tudo, vale a pena conhecer o personagem principal deste estudo. Ele é forte, trabalhador, persistente, bonito e carinhoso. Ele é um besouro da superfamília do escaravelho.



Os escaravelhos têm seu nome não muito atraente por causa de suas preferências gastronômicas. Por um lado, isso é um pouco nojento, mas para um besouro de esterco é uma excelente fonte de nutrientes, da qual a maioria das espécies dessa família não precisa de outras fontes de alimento e até de água. A única exceção é a espécie Deltochilum valgum, cujos representantes gostam de comer centopéias.

A prevalência de escaravelhos pode ser invejada pela maioria dos outros seres vivos, uma vez que vivem em todos os continentes, exceto na Antártica. O habitat varia de florestas frescas a desertos sensuais. Obviamente, é mais fácil encontrar um grande acúmulo de escaravelhos nos habitats dos animais, que são as "fábricas" para a produção de seus alimentos. Escaravelhos preferem estocar alimentos para o futuro.


Um pequeno vídeo sobre besouros e as dificuldades de seu estilo de vida (BBC, David Attenborough).

Diferentes tipos de besouros têm seus próprios recursos de adaptação comportamental. Algumas formam bolas de estrume, que são roladas do ponto de coleta e enterradas em um buraco. Outros cavam túneis no subsolo, enchendo-os de comida. E o terceiro, conhecendo o provérbio sobre Maomé e a dor, simplesmente vive em montes de estrume.

Os estoques de alimentos são importantes para o besouro, mas não tanto por razões de autopreservação, mas por motivos de preocupação com a futura prole. O fato é que as larvas de escaravelhos vivem no que seus pais coletaram anteriormente. E quanto mais adubo, isto é, alimento para as larvas, maior a probabilidade de elas sobreviverem.


Bem, a partir das letras, vamos diretamente para o próprio estudo.

Como mencionei anteriormente, algumas espécies de besouros de esterco formam bolas e as rolam em linha reta, sem prestar atenção à qualidade e complexidade da rota escolhida, em um buraco para armazenamento. É esse comportamento desses erros que melhor conhecemos graças a vários documentários. Também sabemos que, além da força (algumas espécies podem aumentar o peso 1000 vezes o seu próprio), as preferências gastronômicas e os cuidados com os filhotes, os besouros de esterco são bem orientados no espaço. Além disso, eles são os únicos insetos capazes de navegar pelas estrelas à noite.

Na África do Sul (o local de observação), um besouro de esterco, encontrando "presa", forma uma bola e começa a rolar em uma linha reta em uma direção aleatória, o mais importante, longe dos competidores que não hesitam em tirar sua comida. Portanto, para que a fuga seja eficaz, você precisa se mover na mesma direção o tempo todo, sem perder o curso.

O sol é a principal diretriz, como já sabemos, mas não é o mais confiável. A altura do sol muda durante o dia, a partir da qual a precisão da orientação diminui. Por que os insetos não começam a girar em círculos, se confundem na direção e verificam o mapa a cada 2 minutos? É lógico supor que o sol não é a única fonte de informação para orientação no espaço. E então os cientistas sugeriram que a segunda orientação para os besouros é o vento, ou melhor, sua direção. Esta não é uma característica única, pois formigas e até baratas conseguem usar o vento para encontrar o caminho.

Em seu trabalho, os cientistas decidiram verificar como os escaravelhos usam essas informações sensoriais multimodais quando preferem navegar ao sol, e na direção do vento, e se usam as duas opções ao mesmo tempo. Observações e medições foram feitas no habitat natural dos sujeitos, bem como em condições controladas simuladas de laboratório.

Resultados da pesquisa

Neste estudo, o papel do assunto principal foi desempenhado por um besouro da espécie Scarabaeus lamarcki , e foram realizadas observações no ambiente natural no território da fazenda Stonehenge, perto de Joanesburgo (África do Sul).


Imagem Nº 1: mudanças na velocidade do vento durante o dia ( A ), mudanças na direção do vento durante o dia ( B ).

Foram realizadas medições preliminares da velocidade e direção do vento. À noite, a velocidade era a mais baixa (<0,5 m / s), mas aumentava para o amanhecer, atingindo um pico diário (3 m / s) das 11:00 às 13:00 (altura do sol ∼70 °).

Os indicadores de velocidade são dignos de nota por excederem o limiar de 0,15 m / s, necessário para a orientação menotática de besouros de esterco. Nesse caso, o pico da velocidade do vento coincide na hora do dia com o pico de atividade dos besouros Scarabaeus lamarcki .

Os besouros rolam suas presas em uma linha reta desde o ponto de coleta até uma distância bastante grande. Em média, todo o percurso leva 6,1 ± 3,8 minutos. Portanto, durante esse período, eles devem seguir a rota com a maior precisão possível.

Se falamos sobre a direção do vento, durante o período de atividade máxima dos besouros (das 06:30 às 18:30), a mudança média na direção do vento durante um período de 6 minutos não é superior a 27,0 °.

Combinando dados sobre a velocidade e direção do vento durante o dia, os cientistas acreditam que essas condições climáticas são suficientes para a orientação multimodal dos besouros.


Imagem No. 2

Está na hora da observação. Para verificar a possível influência do vento nas características de orientação dos besouros no espaço, foi criada uma "arena" redonda, no centro da qual havia comida. Os besouros podiam rolar livremente as bolas que formavam em qualquer direção a partir do centro, com um fluxo de ar estável controlado de 3 m / s. Esses testes foram realizados em dias claros, quando a altura do sol variou durante o dia da seguinte forma: ≥75 ° (alta), 45–60 ° (média) e 15–30 ° (baixa).

Alterações no fluxo de ar e na posição do sol podem variar em 180 ° entre dois conjuntos de besouros ( 2A ). Vale a pena considerar o fato de que os besouros não sofrem de esclerose e, portanto, após a primeira chamada, lembram-se da rota que escolheram. Sabendo disso, os cientistas levam em consideração as mudanças no ângulo de saída da arena durante a abordagem subsequente do besouro como um dos indicadores de orientação bem-sucedida.

A uma altura do sol de ≥75 ° (alta), as alterações de azimute em resposta a uma mudança de 180 ° na direção do vento entre o primeiro e o segundo conjuntos foram agrupadas em torno de 180 ° (P <0,001, teste V) com uma variação média de 166,9 ± 79,3 ° ( 2B ). Nesse caso, uma mudança de 180 ° na posição do sol (um espelho foi usado) causou uma reação sutil de 13,7 ± 89,1 ° (círculo inferior de 2B ).

É interessante notar que, em elevações médias e baixas do sol, os besouros mantinham suas rotas, apesar das mudanças na direção do vento - altitude média: -15,9 ± 40,2 °; P <0,001; altitude baixa: 7,1 ± 37,6 °, P <0,001 ( 2C e 2D ). Mas uma mudança na direção dos raios do sol em 180 ° teve a reação oposta, ou seja, uma mudança radical na direção da rota do besouro - a altura média: 153,9 ± 83,3 °; baixa altura: -162 ± 69,4 °; P <0,001 (círculos inferiores em 2A , 2C e 2D ).

Talvez a orientação seja afetada não pelo próprio vento, mas pelos cheiros. Para testar isso, os segmentos de antenas distais responsáveis ​​pelo olfato foram removidos do segundo grupo de besouros de teste. As mudanças de rota em resposta a uma mudança de 180 ° na direção do vento demonstrada por esses bugs ainda estavam significativamente agrupadas em torno de 180 °. Em outras palavras, não há virtualmente nenhuma diferença na orientação entre besouros com e sem cheiro.

Uma conclusão intermediária é que os escaravelhos usam o sol e o vento em sua orientação. Além disso, sob condições controladas de laboratório, verificou-se que a bússola do vento prevalece sobre a solar no caso de grandes altitudes do sol, mas a situação começa a mudar quando o sol se aproxima do horizonte.

Essa observação indica que existe um sistema dinâmico de bússola multimodal no qual a interação entre as duas modalidades muda de acordo com as informações sensoriais. Ou seja, o bug é guiado a qualquer hora do dia, contando com a fonte mais confiável de informações neste momento específico (o sol é baixo - o marco do sol; o sol é alto - o marco do vento).

Em seguida, os cientistas decidiram verificar se o vento ajuda na orientação dos besouros ou não. Para isso, uma arena com um diâmetro de 1 m foi preparada com comida no centro. No total, os besouros fizeram 20 jogos com uma alta posição do sol: 10 com o vento e 10 sem o vento ( 2F ).

Como esperado, a presença de vento aumentou a precisão da orientação dos besouros. Note-se que nas observações iniciais da precisão da bússola solar, a mudança no azimute entre dois conjuntos sucessivos é dobrada em uma posição alta do sol (> 75 °) em comparação com uma posição mais baixa (<60 °).

Assim, percebemos que o vento desempenha um papel importante na orientação de besouros, compensando as imprecisões da bússola solar. Mas como um bug coleta informações sobre velocidade e direção do vento? Obviamente, o mais óbvio é que isso acontece através das antenas. Para verificar isso, os cientistas realizaram testes em uma sala com fluxo de ar constante (3 m / s) com a participação de dois grupos de besouros - com antenas e sem eles ( 3A ).


Imagem No. 3

O principal critério para a precisão da orientação foi a alteração do azimute entre duas abordagens ao alterar a direção do fluxo de ar em 180 °.

Uma mudança na direção do movimento dos besouros com antenas foi agrupada em torno de 180 °, em contraste com os besouros sem antenas. Além disso, a variação absoluta média do azimute nos besouros sem antena foi de 104,4 ± 36,0 °, o que é muito diferente da mudança absoluta nos besouros com antenas - 141,0 ± 45,0 ° (gráfico de 3V ). Ou seja, os besouros sem antenas normalmente não podiam navegar ao vento. No entanto, eles ainda estavam bem orientados ao sol.

A Figura 3A mostra uma configuração de teste para testar a capacidade dos besouros de combinar informações de várias modalidades sensoriais para ajustar sua rota. Para isso, os dois pontos de referência (vento + sol) estiveram presentes no teste durante o primeiro pôr do sol ou apenas um ponto de referência (sol ou vento) durante o segundo. Assim, a multimodalidade e a unimodalidade foram comparadas.

As observações mostraram que as mudanças na direção do movimento dos besouros após a mudança de um ponto de referência multi para unimodal estavam concentradas em torno de 0 °: somente vento: –8,2 ± 64,3 °; somente o sol: 16,5 ± 51,6 ° (gráficos no centro e à direita em 3C ).

Esta característica de orientação não diferiu daquela obtida na presença de dois pontos de referência (sol + vento) (gráfico à esquerda em 3C ).

Isso sugere que, em condições controladas, o besouro pode usar um ponto de referência, se o segundo não fornecer informações suficientes, ou seja, compensar a imprecisão de um ponto de referência com o segundo.

Se você acha que os cientistas pararam nisso, não é assim. Em seguida, foi necessário verificar o quão bem os bugs armazenam informações sobre um dos pontos de referência e se eles serão usados ​​no futuro como um complemento. Para isso, foram feitas 4 chamadas: no primeiro houve 1 ponto de referência (sol), no segundo e no terceiro fluxo de ar foi adicionado e durante o quarto houve apenas fluxo de ar. Também foi realizado um teste em que os pontos de referência estavam na ordem inversa: vento, sol + vento, sol + vento, sol.

A teoria preliminar é que, se os besouros puderem armazenar informações sobre os dois pontos de referência na mesma área da memória espacial do cérebro, deverão manter a mesma direção na primeira e na quarta abordagens, ou seja, as mudanças na direção da viagem devem ser agrupadas em torno de 0 °.


Imagem No. 4

Os dados coletados sobre a mudança de azimute durante a primeira e quarta abordagens confirmaram a suposição acima (4A), que foi adicionalmente confirmada por modelagem, cujos resultados são mostrados no gráfico 4C (à esquerda).

Como verificação adicional, foram realizados testes onde o fluxo de ar foi substituído por um ponto ultravioleta (4B e 4C à direita). Os resultados foram quase idênticos aos resultados de testes usando o fluxo de sol e ar.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

O conjunto de resultados experimentais, tanto no ambiente natural quanto no controlado, mostrou que, nos besouros, as informações visuais e mecanossensoriais convergem em uma rede neural comum e são salvas como uma imagem de bússola multimodal. Uma comparação da eficácia do uso do sol ou do vento como orientação mostrou que os besouros usam a orientação que lhes fornece mais informações. O segundo é usado como sobressalente ou complementar.

Isso pode parecer algo muito comum para nós, mas não esqueça que nosso cérebro é muito maior que o de um pequeno inseto. Mas, como entendemos, mesmo as menores criaturas são capazes de processos mentais complexos, porque, na natureza, sua sobrevivência depende da força ou da mente e, na maioria das vezes, de uma combinação de ambas.


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