Как муравьи находят дорогу домой?

Они находят обратную дорогу, используя сложную математику!

Пустынный Муравей (Cataglyphis fortis), который обитает в Сахаре, очень часто совершает свои путешествия в поисках пищи зигзагообразными путями за сотни метров от дома. Не смотря на почти полное отсутствие каких-либо ориентиров или знаков, он легко может найти путь домой, избрав при этом совершенно другой маршрут.

Существовало несколько объяснений этой способности муравьёв, но исследователи из Германии и Швейцарии 1 провели тщательный эксперимент, который исключил применение этими насекомыми каких-либо визуальных ориентиров или указателей времени и энергии. Например, когда в ходе этого эксперимента муравьи были помещены на полностью серую и ровную поверхность, муравьи всё равно безошибочно находили дорогу домой.

Данное свидетельство подтверждает то, что муравьи обладают встроенным одометром, который для вычисления пройденного пути выполняет сложную математическую операцию, называемую интегрирование пути. Муравьи оснащены математической способностью находить дорогу домой с легкостью для них.

То есть, маршрут муравьев делится на маленькие векторы, каждый с определённой длиной и направлением. Все эти векторы соединяются в общий “возвращающий домой” вектор, который и указывает направление и общее расстояние к их муравейнику.

Но как же насчет находящихся на пути муравьёв неровностей, являющихся для них целыми “холмами” и “долинами” и заставляющих этих насекомых проделывать более долгий путь домой по сравнению с совершенно ровной поверхностью? Для того, чтобы это выяснить исследователи провели эксперимент в группах из 21 муравья, тренируя их на маршрутах, состоящих из многих симметричных высоких холмов и глубоких долин (по муравьиным меркам), с целью нахождения пищи. Муравью нужно было пройти путь длиной 8.7 м, что соответствовало всего лишь расстоянию в 5.2 м на плоской поверхности. Затем исследователи изменили эту неровную поверхность на ровную поверхность. Оказалось, что муравьи проходили более короткое расстояние, которое было очень близким к расстоянию на плоской поверхности (т.е. 5.2 м).

Затем сделали наоборот: 17 муравьёв поместили на плоскую поверхность для того, чтобы они добирались до источника пищи, который находился на расстоянии 5.2 м от них. Затем эту поверхность изменили на неровную поверхность (т.е. с холмиками и долинами) и оказалось, что муравьи проходили расстояние очень близкое к расстоянию поверхности, составляющее примерно 8.7 м (учитывая холмики и долины).

Проводя подобные эксперименты на асимметричных подъемах (холмиках), исследователи исключили возможность того, чтобы муравьи использовали лишь траектории подъёмов или лишь траектории склонов.

U-образная дорожка, имеющая вид зубьев пилы (схема сверху) была основой эксперимента. Муравьи должны были перелазить через искусственные холмики в поиске пищи, которая располагалась в конце дорожки (схема по середине). Когда муравьёв помещали на разработанную ровную поверхность, они проходили более короткое расстояние, равное длине проекции “холмистой” местности на воображаемую горизонтальную плоскость до начала поиска пищи (схема снизу).

Это означает, что муравьи, очевидно, обладают способностью вычислять горизонтальную проекцию пройденного расстояния. То есть, изображение векторов маршрута муравья отражается на воображаемом плоском экране, который находится под местностью, по которой движется муравей, и интегрирование пути выполняется в этой двухкоординатной плоскости. Чтобы это осуществлять, муравьи каким-то образом должны уметь измерять наклоны и умножать пройденное расстояние на косинус угла наклона, чтобы определять соответствующую длину горизонтального расстояния.

Очевидно, муравьи используют внутреннее чувство, называемое проприоцепция, которое животные и люди используют для того, чтобы определять расположение частей своего тела. Вероятно, муравьи измеряют углы тем же самым способом, что и чувствуют гравитацию, т.e. с помощью проприоцепторов. Они расположены на разных местах соединения подвижных частей тела. Проприоцепторы представлены расположенными рядом специальными пластинками, которые выполняют резервную функцию, чтобы один мог принимать функцию другого в случае хирургического удаления. Всё это усложняет определение того, какие именно механизмы задействованы в точном определении расстояния местности.

Другим альтернативным механизмом, помимо горизонтальной проекции, считается ещё более сложное трёхмерное интегрирование пути, которое исследователи планируют изучать. Один из предложенных способов исследования заключается в следующем: муравьи должны обнаружить пищу, которая находится в конце наклонной плоскости, а затем муравьев помещают на поверхность, состоящую из полностью горизонтальной дорожки и полностью вертикальной дорожки на конце, где горизонтальная проекция равна нулю. Если муравьи вычисляют горизонтальную проекцию, то они не пойдут по вертикальной дорожке, а станут искать пищу в конце горизонтальной дорожки, которая соответствует расстоянию поверхности. Но если они выполняют трёхмерное интегрирование, то тогда они будут взбираться по вертикальной дорожке в поисках пищи. 2

Если бы муравьи, задача которых заключается в поиске пищи, находящейся в конце наклонной плоскости (a), также искали бы пищу сверху, а не снизу L-образного отрезка (b), то это означало бы, что муравьи интегрируют путь в трёх измерениях, а не просто проектируют своё положение на горизонтальную плоскость.

Вывод

Независимо от того, используют ли муравьи горизонтальное интегрирование пути или полное трёхмерное интегрирование, это всё равно требует сложного программирования. Верить, что такая сложная программа подразумевает присутствие разумного программиста, соответствует здравому смыслу. Однако религиозное верование в достаточность натуралистических причин означает, что эволюционисты будут отвергать эту здравую точку зрения. Они могут утверждать, что способность муравьёв находить дорогу домой могла возникнуть в результате случайных мутаций с постепенными усовершенствованиями, которые накопил естественный отбор.

Но это заблуждение полагать, что небольшое изменение в программе производит маленькое изменение в результате. Программисты хорошо знают, что отдельный шаг в алгоритме часто имеет далеко идущие последствия, и один единственный неправильный шаг может вызвать сбой программы. Всё это означает, что программа интегрирования пути должна быть полностью функциональной с самого начала, в противном случае она совершенно бесполезна.

Ссылки и примечания

1. 1. Вольгмут, С., Роначер, Б. и Венер, Р., Муравьиная Одометрия в третьем измерении. Wohlgemuth, S., Ronacher, Nature 411(6839):795–798, 2001. Вернуться к тексту.
2. M.V., Homing in on ant navigation [comment on Ref. 1], Nature 411(6839): 752–753, 2001. Вернуться к тексту.

Мурахи знаходять шлях додому завдяки крокомірам

Пустельні мурахи рахують кроки, щоб повернутися до свого гнізда після пошуків їжі, доводять вчені Ульмського університету в Німеччині.

На лапках у цих комах є своєрідні “крокоміри” — природна система, яка дає їм змогу рахувати кроки. Вчені вважають, що й інші комахи можуть мати схожий механізм.

Раніше було відомо, що мурахи знаходять шлях до свого гнізда, орієнтуючись по Сонцю, як по компасу. А тепер вчені з”ясували, що відстань до нього вони вимірюють з допомогою крокомірів.

Для дослідів брали мурах із пустелі Сахара. Під час експерименту їм доводилося знаходити їжу за кілька метрів від гнізда. Шлях від гнізда до “їдальні” проходив по 10-метровій алюмінієвій трубі. Спочатку мурахам давали можливість пройти кілька разів цю відстань, а потім їм змінювали довжину ніг. Лапки вкорочували наполовину, і тоді комахи зупинялися на півдорозі до своєї домівки. Потім їм приклеювали “ходулі” зі свинячої щетини. У такому разі мурахи проходили далі гнізда.

Як працює “крокомір”, ще не відомо. Але встановили, що після того як мураха повертається до гнізда, дані стираються.