Навигация по животным - Animal navigation
Навигация животных - это способность многих животных точно ориентироваться без карт и инструментов. Птицы, такие как арктическая крачка , насекомые, такие как бабочка-монарх, и рыбы, такие как лосось, регулярно мигрируют на тысячи миль к своим местам размножения и обратно, а многие другие виды эффективно перемещаются на более короткие расстояния.
В качестве возможного механизма Чарльз Дарвин в 1873 году предложил точный расчет , навигацию из известного положения с использованием только информации о собственной скорости и направлении . В 20 веке Карл фон Фриш показал, что медоносные пчелы могут перемещаться по солнцу, по схеме поляризации голубого неба и по магнитному полю Земли; из них они по возможности полагаются на солнце. Уильям Тинсли Китон показал, что почтовые голуби могут аналогичным образом использовать ряд навигационных сигналов, включая солнце, магнитное поле Земли , обоняние и зрение. Рональд Локли продемонстрировал, что небольшая морская птица, буревестник острова Мэн , может ориентироваться и лететь домой на полной скорости, если ее выпускать далеко от дома, при условии, что видны солнце или звезды.
Некоторые виды животных могут интегрировать сигналы разных типов, чтобы ориентироваться и эффективно ориентироваться. Насекомые и птицы могут сочетать выученные ориентиры с ощущаемым направлением ( по магнитному полю земли или с неба), чтобы определить, где они находятся, и таким образом ориентироваться. Внутренние «карты» часто формируются с помощью зрения, но могут использоваться и другие органы чувств, включая обоняние и эхолокацию .
На способность диких животных ориентироваться могут отрицательно повлиять продукты человеческой деятельности. Например, есть свидетельства того, что пестициды могут мешать плаванию пчел, а огни могут навредить плаванию черепах.
Раннее исследование
В 1873 году Чарльз Дарвин написал письмо в журнал Nature , в котором утверждал, что животные, в том числе человек, обладают способностью ориентироваться по точному счёту, даже при наличии магнитного «компаса» и способности ориентироваться по звездам:
Что касается вопроса о способах, с помощью которых животные находят путь домой на больших расстояниях, поразительное описание, касающееся человека, можно найти в английском переводе «Экспедиции в Северную Сибирь » фон Врангеля . Там он описывает чудесную манеру, с которой туземцы держали верный курс к определенному месту, проходя на большое расстояние по кочковатому льду, с непрерывной сменой направления и без проводника в небе или по замерзшему морю. Он заявляет (но я цитирую только по многолетней памяти), что он, опытный геодезист и пользуясь компасом, не смог сделать то, что эти дикари легко проделали. Однако никто не будет предполагать, что они обладали каким-то особым чутьем, которого у нас нет. Мы должны иметь в виду, что ни компаса, ни северной звезды, ни любого другого подобного знака недостаточно, чтобы направить человека в определенное место через запутанную местность или по кочковатому льду, когда многие отклонения от прямого курса неизбежны. если только не допускаются отклонения или не соблюдается своего рода «мертвая расплата». Все люди в большей или меньшей степени способны на это, а уроженцы Сибири, по-видимому, в удивительной степени, хотя, вероятно, неосознанно. Это, несомненно, осуществляется главным образом благодаря зрению, но отчасти, возможно, благодаря ощущению мышечного движения, точно так же, как человек со слепыми глазами может продвигаться (и некоторые люди намного лучше, чем другие) на короткое расстояние в почти прямая линия, или поворот под прямым углом, или снова назад. То, как чувство направления иногда внезапно нарушается у очень старых и немощных людей, и чувство сильного беспокойства, которое, как я знаю, испытывали люди, когда они внезапно обнаруживали, что они действовали полностью неожиданное и неправильное направление, приводит к подозрению, что какая-то часть мозга специализируется на функции направления.
Позже, в 1873 году, Джозеф Джон Мерфи ответил Дарвину, написав в Nature , описав, как он, Мерфи, верил, что животные проводят точный расчет с помощью того, что сейчас называется инерциальной навигацией :
Если мяч свободно подвешен на крыше железнодорожного вагона, он получит толчок, достаточный для его перемещения, когда тележка приводится в движение: а величина и направление толчка… будут зависеть от величины и направления силы при котором каретка начинает двигаться ... [и так] ... каждое изменение ... движения каретки ... вызывает сотрясение мяча соответствующей величины и направления. Теперь, пожалуй, вполне возможно, хотя на такую хрупкость механизма и не стоит надеяться, что следует сконструировать машину ... для регистрации величины и направления всех этих толчков с указанием времени, в которое каждый из них произошел ... исходя из этих данных, положение каретки… можно рассчитать в любой момент.
Карл фон Фриш (1886–1982) изучил европейскую медоносную пчелу , продемонстрировав, что пчелы могут распознавать желаемое направление по компасу тремя разными способами: по солнцу, по картине поляризации голубого неба и по магнитному полю Земли. Он показал, что предпочтительным или главным компасом является солнце; другие механизмы используются под облачным небом или внутри темного улья .
Уильям Тинсли Китон (1933-1980) изучал самонаведения голубей, показывая , что они были в состоянии перемещаться с помощью магнитного поля Земли , солнце, а также как обонятельные и визуальные сигналы.
Дональд Гриффин (1915–2003) изучал эхолокацию у летучих мышей , демонстрируя, что это возможно, и что летучие мыши использовали этот механизм для обнаружения и отслеживания добычи, а также для «видеть» и, таким образом, перемещаться по окружающему миру.
Рональд Локли (1903–2000), среди множества исследований птиц в более чем пятидесяти книгах, первым открыл науку о миграции птиц. Он провел двенадцатилетнее исследование буревестников, таких как мэнский буревестник , обитающих на отдаленном острове Скохольм . Эти маленькие морские птицы совершают одну из самых длинных миграций среди всех птиц - 10 000 километров, - но год за годом возвращаются к точному месту гнездования на Скохольме. Такое поведение привело к вопросу о том, как они ориентировались.
Механизмы
Локли начал свою книгу «Навигация животных» со слов:
Как животные находят свой путь по, казалось бы, безлюдной местности, через непроходимые леса, через пустые пустыни, над и под безликими морями? ... Они делают это, конечно же, без видимого компаса , секстанта , хронометра или диаграммы ...
Было предложено множество механизмов для навигации животных: ряд из них подтвержден. Исследователям часто приходилось отказываться от простейших гипотез - например, некоторые животные могут перемещаться в темную и облачную ночь, когда не видны ни ориентиры, ни небесные сигналы, такие как солнце, луна или звезды. Основные известные или предполагаемые механизмы, в свою очередь, описаны ниже.
Запомненные достопримечательности
Животные, включая млекопитающих, птиц и насекомых, таких как пчелы и осы ( Ammophila и Sphex ), способны изучать ориентиры в своей среде и использовать их в навигации.
Ориентация по солнцу
Некоторые животные могут ориентироваться, используя небесные ориентиры, такие как положение солнца. Поскольку солнце движется по небу, для навигации с помощью этого средства также требуются внутренние часы. Многие животные зависят от таких часов, чтобы поддерживать свой циркадный ритм . Животные, ориентирующиеся по солнечному компасу, - это рыбы , птицы, морские черепахи, бабочки , пчелы , кулики , рептилии и муравьи .
Когда кулики (такие как Talitrus saltator ) попадают на пляж, они легко находят путь обратно к морю. Было показано, что это происходит не просто при движении под гору или навстречу виду или шуму моря. Группа куликов была акклиматизирована к дневному / ночному циклу при искусственном освещении, время которого постепенно менялось до тех пор, пока он не на 12 часов не совпал по фазе с естественным циклом. Затем песочников поместили на пляж под естественным солнечным светом. Они ушли от моря, на пляж. Эксперимент подразумевал, что кулики используют солнце и свои внутренние часы для определения своего курса, и что они узнали фактическое направление к морю на своем конкретном пляже.
Эксперименты с мэнскими буревестниками показали, что когда они выпускаются «под чистое небо» далеко от своих гнезд, морские птицы сначала ориентируются, а затем улетают в правильном направлении. Но если в момент выпуска небо было затянуто облаками, буревестники летали по кругу.
Бабочки-монархи используют солнце в качестве компаса для своей осенней миграции на юго-запад из Канады в Мексику.
Ориентация по ночному небу
В своем новаторском эксперименте Локли показал, что певчие птицы, помещенные в планетарий, показывающий ночное небо, ориентировались на юг; когда небо планетария затем очень медленно вращалось, птицы сохраняли ориентацию по отношению к отображаемым звездам. Локли отмечает, что для навигации по звездам птицам понадобятся и «секстант, и хронометр»: встроенная способность считывать структуры звезд и ориентироваться по ним, что также требует точных часов времени.
В 2003 году было показано , что африканский навозник Scarabaeus zambesianus может перемещаться, используя поляризационные модели в лунном свете , что сделало его первым известным животным, использующим поляризованный лунный свет для ориентации. В 2013 году было показано, что навозные жуки могут перемещаться, когда виден только Млечный Путь или скопления ярких звезд , что сделало навозных жуков единственными насекомыми, которые, как известно, ориентируются по галактике.
Ориентация поляризованным светом
Некоторые животные, особенно такие насекомые, как медоносная пчела , чувствительны к поляризации света. Медоносные пчелы могут использовать поляризованный свет в пасмурные дни, чтобы оценить положение солнца на небе относительно направления по компасу, в котором они собираются двигаться. Работа Карла фон Фриша установила, что пчелы могут точно определять направление и диапазон от улья до источника пищи (обычно участка цветов, несущих нектар). Рабочая пчела возвращается в улей и сигнализирует другим рабочим о расстоянии и направлении источника пищи относительно солнца с помощью танца виляния . Затем наблюдающие пчелы могут находить пищу, пролетая предполагаемое расстояние в заданном направлении, хотя другие биологи задаются вопросом, обязательно ли они это делают, или их просто побуждают идти и искать пищу. Тем не менее, пчелы, безусловно, способны запоминать местоположение пищи и точно перемещаться к нему, независимо от того, солнечная погода (в этом случае навигация может осуществляться по солнцу или запоминающимся визуальным ориентирам) или в значительной степени пасмурная погода (когда может быть поляризованный свет. использовал).
Магниторецепция
Некоторые животные, включая млекопитающих, например слепых землекопов ( Spalax ), и птиц, например голубей, чувствительны к магнитному полю Земли.
Самонаводящиеся голуби используют информацию о магнитном поле вместе с другими навигационными сигналами. Исследователь-первопроходец Уильям Китон показал, что почтовые голуби со сдвигом во времени не могут правильно ориентироваться в ясный солнечный день, но могут делать это в пасмурный день, предположив, что птицы предпочитают полагаться на направление солнца, но переключаются на использование сигнал магнитного поля, когда солнце не видно. Это подтвердили эксперименты с магнитами: голуби не могли правильно ориентироваться в пасмурный день, когда магнитное поле было нарушено.
Обоняние
Обонятельная навигация была предложена как возможный механизм у голубей. «Мозаичная» модель Папи утверждает, что голуби строят и запоминают мысленную карту запахов в своей местности, узнавая, где они находятся, по местному запаху. «Градиентная» модель Уоллраффа утверждает, что существует устойчивый крупномасштабный градиент запаха, который остается стабильным в течение длительных периодов времени. Если бы было два или более таких градиента в разных направлениях, голуби могли бы располагаться в двух измерениях по интенсивности запахов. Однако неясно, существуют ли такие устойчивые градиенты. Папи обнаружил доказательства того, что аносмические голуби (неспособные обнаруживать запахи) были гораздо менее способны ориентироваться и ориентироваться, чем нормальные голуби, поэтому обоняние, похоже, действительно важно в навигации голубей. Однако неясно, как используются обонятельные сигналы.
Обонятельные сигналы могут быть важны для лосося , который, как известно, возвращается в ту реку, где вылупился. Локли сообщает об экспериментальных доказательствах того, что такие рыбы, как гольяны, могут точно определять разницу между водами разных рек. Лосось может использовать свое магнетическое чутье, чтобы ориентироваться в пределах досягаемости реки, а затем использовать обоняние, чтобы идентифицировать реку с близкого расстояния.
Рецепторы силы тяжести
Исследования слежения за GPS показывают, что аномалии силы тяжести могут играть роль в навигации самонаводящихся голубей.
Другие чувства
Биологи рассмотрели и другие органы чувств, которые могут способствовать навигации животных. Многие морские животные, такие как тюлени, способны к гидродинамическому восприятию , что позволяет им отслеживать и ловить добычу, например рыбу, путем ощущения помех, которые их прохождение оставляет в воде. Морские млекопитающие, такие как дельфины и многие виды летучих мышей, способны к эхолокации , которую они используют как для обнаружения добычи, так и для ориентации, ощущая окружающую среду.
Маркировка пути
Древесины мышь является первым не-человеческим животным , которые необходимо соблюдать, как в дикой природе и в лабораторных условиях, с использованием подвижных ориентиров для навигации. Во время поиска пищи они собирают и распределяют визуально заметные объекты, такие как листья и ветки, которые затем используют в качестве ориентиров во время исследования, перемещая маркеры, когда область была исследована.
Интеграция пути
Точный расчет у животных, обычно известный как интеграция пути , означает объединение сигналов от различных сенсорных источников внутри тела, без привязки к визуальным или другим внешним ориентирам, для непрерывной оценки положения относительно известной начальной точки во время путешествия по пути, который не обязательно прямо. Задача, рассматриваемая как проблема в геометрии, состоит в том, чтобы вычислить вектор к начальной точке, добавив векторы для каждого отрезка пути от этой точки.
Начиная с работы Дарвина « О происхождении некоторых инстинктов» (цитированной выше) в 1873 году, интеграция путей оказалась важной для навигации у животных, включая муравьев, грызунов и птиц. Когда зрение (и, следовательно, использование запоминаемых ориентиров) недоступно, например, когда животные перемещаются в облачную ночь, в открытом океане или в относительно безликих областях, таких как песчаные пустыни, интеграция пути должна полагаться на идиотические сигналы изнутри. тело.
Исследования Венера над пустынным муравьем Сахара ( Cataglyphis bicolor ) демонстрируют эффективную интеграцию траектории для определения направления (по поляризованному свету или положению солнца) и для вычисления расстояния (путем отслеживания движения ног или оптического потока).
Интеграция путей у млекопитающих использует вестибулярные органы , которые обнаруживают ускорение в трех измерениях , вместе с моторной эффективностью , где моторная система сообщает остальной части мозга, какие движения были заданы , и зрительный поток , где зрительная система сигнализирует, насколько быстро визуальный мир движется мимо глаз. Информация от других органов чувств, таких как эхолокация и магниторецепция, также может быть интегрирована у некоторых животных. Гиппокамп является частью мозга , которая интегрирует линейные и угловые движения для кодирования относительного положения млекопитающего в космосе.
Дэвид Редиш утверждает, что «тщательно контролируемые эксперименты Миттельштадта и Миттельштадта (1980) и Этьена (1987) убедительно продемонстрировали, что [интеграция путей у млекопитающих] является следствием интеграции внутренних сигналов вестибулярных сигналов и моторной эфферентной копии».
Последствия человеческой деятельности
Неоникотиноидные пестициды могут ухудшить способность пчел ориентироваться. Пчелы, подвергшиеся воздействию низких уровней тиаметоксама, с меньшей вероятностью вернулись в свою колонию, в такой степени, чтобы поставить под угрозу выживание колонии.
Световое загрязнение привлекает и дезориентирует светолюбивых животных, следующих за светом. Например, вылупившиеся морские черепахи следят за ярким светом, особенно голубоватым, изменяя свою навигацию. Нарушение навигации бабочек можно легко наблюдать около ярких фонарей летними ночами. Насекомые собираются вокруг этих ламп с высокой плотностью, вместо того, чтобы перемещаться естественным путем.
Смотрите также
Примечания
использованная литература
Источники
- Локли, Рональд М. (1967). Навигация животных . Пан Книги.
- Локли, Рональд М. (1942). Буревестник . JM Dent.
- Рыжий, А. Дэвид (1999). За пределами когнитивной карты (PDF) . MIT Press.
- Тинберген, Нико (1984). Любопытные натуралисты (пересмотренная ред.). Пресса Массачусетского университета.
- фон Фриш, Карл (1953). Танцующие пчелы . Harcourt, Brace & World.
дальнейшее чтение
- Готро, Сидней А. (1980). Миграция, ориентация и навигация животных . Академическая пресса.
- Китон, Уильям (1972) Влияние магнитов на самонаведение голубя . страницы 579–594 в «Ориентация на животных и навигация» . НАСА SP-262.
- Китон, Уильям (1977) Магнитный прием (биология). В энциклопедии науки и техники , 2-е изд. Макгроу-Хилл.
- Китон, Уильям (1979) Голубиная навигация . страницы 5–20 в нейронных механизмах поведения голубя . (AM Granda и JH Maxwell, ред.) Plenum Publishing.
внешние ссылки
- Как работает материал: навигация по животным
- Ольденбургский университет: навигация по животным
- National Geographic: Animal Navigation (ресурсы для учителей)