W jaki sposób wrodzony kompas żuków gnojowych wykorzystuje wskazówki nawigacyjne?
Żuk gnojowy, który żywi się odchodami zwierząt, zwykle tworzy kulkę z gnoju, a następnie toczy ją w linii prostej, aby uciec konkurentom. Badacze ustalili, że owad wykorzystuje wskazówki nawigacyjne, takie jak położenie Słońca, Księżyca i gwiazd, zestawiając te informacje z innymi wskazówkami, aby poruszać się w prostej linii. „Żuki gnojowe są wspaniałym organizmem modelowym dla badaczy nawigacji”, wyjaśnia Marie Dacke, wykładowczyni biologii sensorycznej na Uniwersytecie w Lund(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (Szwecja), koordynatorka projektu UltimateCOMPASS(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Owady te posiadają ukrytą zdolność do poruszania się w szerokim zakresie środowisk i dysponują znacznie szerszym zestawem narzędzi do rozwiązywania wyzwań nawigacyjnych, niż myśleliśmy”. „Są aktywne o każdej porze dnia; ponadto odkryliśmy, że te sprytne owady posiadają umiejętność nawigacji także w nocy”, wyjaśnia badaczka. „Ustaliliśmy, że wykorzystują w tym celu wzorce polaryzacji wokół Księżyca i słabe światło Drogi Mlecznej”.
Zestawianie wskazówek nawigacyjnych
„Wyizolowaliśmy te wskazówki nawigacyjne po kolei. Początkowo nie rozumieliśmy, w jaki sposób żuki zestawiają je ze sobą i co robią, gdy znajdują się w lesie, gdzie Słońce jest często zasłonięte”. Jak zauważa jednak Dacke: „Żuki całkowicie zmieniają sposób analizowania otoczenia w zależności od wskazówek kierunkowych dostępnych w danym momencie”. „Kiedy Słońce nie pozwala na skuteczną nawigację, używają w tym celu wiatru. Gdy nawigacja według Słońca działa niezawodnie, nie używają wiatru, ponieważ trudniej jest się na niego zorientować”.
Pamięć celu
Zespół składający się z entomologów, neurologów, etologów, specjalistów zajmujących się obrazowaniem oczu owadów i ekspertów w dziedzinie modelowania analizował, jak długo owady pamiętają, dokąd mają się udać. W jednym z doświadczeń żuki przemieszczały się na niewielką odległość, aby ustalić kierunek. Następnie badacze owijali owady folią na coraz dłuższe okresy. Po ponownym rozpakowaniu i wypuszczeniu pod gołym niebem przyglądali się kierunkowi ruchu owadów, który wskazywał na stabilność ich pamięci. W innym doświadczeniu żuki zostały umieszczone na lodzie, co przerywa procesy neuronalne. „W tej sytuacji szybciej zapominają drogę”, zauważa Dacke. Jak dodaje badaczka: „Dzięki tym i innym doświadczeniom mogliśmy zobaczyć, że pamięć zanika, ale jednocześnie owady pamiętają kierunek dłużej niż odległość”.
Monitorowanie owadzich mózgów
Elektrofizjolodzy wprowadzili maleńkie elektrody do poszczególnych neuronów centrum nawigacyjnego mózgu owada, aby zarejestrować i zmierzyć aktywność neuronów. „Badaliśmy tysiące różnych neuronów i kolejno je obrazowaliśmy. Zobrazowaliśmy ośrodek odpowiadający za orientację, analizując poszczególne neurony, aby dowiedzieć się, w jaki sposób łączą się ze sobą”, wyjaśnia Dacke. „Sieci neuronowe stale się zmieniają”, dodaje, wskazując jednocześnie, że dostosowują się do zmieniających się warunków, łącząc różne informacje.
Modele obliczeniowe i owadzie mózgi
Badacze opracowali modele obliczeniowe łączące informacje o neuronach żuka gnojowego i innych owadów, których sieci neuronowe zostały zmapowane przez innych naukowców. „Piękno nawigacji polega na tym, że obwody odpowiedzialne za ten proces są zbliżone u różnych owadów”, zauważa Dacke. Wiemy to między innymi dzięki finansowanym ze środków Unii Europejskiej projektów badających mrówki, takim jak EMERG-ANT, a także ćmy, w szczególności MagneticMoth. Badacze wykazali, że nawigacja jest ważna dla zapylania i różnorodności biologicznej - owady pozbawione umiejętności nawigacji nie są w stanie przetrwać. Zrozumienie sposobu zestawiania informacji może mieć szersze zastosowanie, na przykład w robotyce lub autonomicznych pojazdach - innymi słowy wszędzie tam, gdzie wymagane jest łączenie i zestawianie ogromnych ilości danych, by zapewnić ruch w odpowiednim kierunku. Jak sugeruje badaczka, wyniki jej badań mogą również pomóc w projektowaniu złożonych i niemożliwych do zakłócenia systemów nawigacyjnych. „GPS to system stworzony przez człowieka, który można wyłączyć. Z kolei systemy, które opierają się na naturalnych danych wejściowych, będą w stanie funkcjonować niezależnie od satelitów”. Projekt UltimateCOMPASS został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
