Nawigacja zwierząt
Nawigacja zwierząt to zdolność wielu zwierząt do dokładnego odnajdywania drogi bez map lub instrumentów. Ptaki, takie jak rybitwa popielata , owady, takie jak motyl monarcha i ryby, takie jak łosoś , regularnie migrują tysiące mil do iz swoich lęgowisk, a wiele innych gatunków skutecznie nawiguje na krótsze odległości.
Martwy rachunek sumienia , nawigacja ze znanej pozycji przy użyciu jedynie informacji o własnej prędkości i kierunku, został zaproponowany przez Karola Darwina w 1873 roku jako możliwy mechanizm. W XX wieku Karl von Frisch wykazał, że pszczoły miodne mogą nawigować dzięki słońcu, wzorowi polaryzacji błękitnego nieba i ziemskiemu polu magnetycznemu; z nich w miarę możliwości polegają na słońcu. William Tinsley Keeton wykazał, że gołębie pocztowe mogą podobnie wykorzystywać szereg wskazówek nawigacyjnych, w tym słońce, ziemskie pole magnetyczne , węch i wzrok. Ronald Lockley wykazał, że mały ptak morski, burzyk manx , może orientować się i lecieć do domu z pełną prędkością, gdy zostanie wypuszczony z dala od domu, pod warunkiem, że będzie widoczne słońce lub gwiazdy.
Kilka gatunków zwierząt może łączyć sygnały różnych typów, aby orientować się i skutecznie nawigować. Owady i ptaki są w stanie łączyć wyuczone punkty orientacyjne z wyczuwanymi kierunkami (z pola magnetycznego Ziemi lub z nieba), aby określić, gdzie się znajdują, i w ten sposób nawigować. Wewnętrzne „mapy” są często tworzone za pomocą wzroku, ale można również wykorzystać inne zmysły, w tym węch i echolokację .
Produkty działalności człowieka mogą niekorzystnie wpływać na zdolność dzikich zwierząt do poruszania się. Na przykład istnieją dowody na to, że pestycydy mogą zakłócać nawigację pszczół, a światła mogą szkodzić nawigacji żółwi.
Wczesne badania
W 1873 roku Karol Darwin napisał list do magazynu Nature , argumentując, że zwierzęta, w tym człowiek, mają zdolność nawigacji na podstawie liczenia, nawet jeśli obecny jest magnetyczny „kompas” i zdolność nawigacji według gwiazd:
Jeśli chodzi o kwestię, w jaki sposób zwierzęta wracają do domu z dużej odległości, uderzającą relację dotyczącą człowieka można znaleźć w angielskim tłumaczeniu Wyprawy na Syberię Północną autorstwa von Wrangla . Opisuje tam cudowny sposób, w jaki tubylcy utrzymywali właściwy kurs w określonym miejscu, pokonując długą odległość przez pagórkowaty lód, z nieustannymi zmianami kierunku i bez przewodnika na niebie lub na zamarzniętym morzu. Stwierdza on (ale cytuję tylko z wieloletniej pamięci), że on, doświadczony geodeta, posługując się kompasem, nie dokonał tego, co ci dzicy z łatwością dokonali. Nikt jednak nie przypuszcza, że posiadali oni jakiś szczególny zmysł, którego u nas zupełnie nie ma. Musimy pamiętać, że ani kompas, ani gwiazda północna, ani żaden inny podobny znak nie wystarczy, aby poprowadzić człowieka do określonego miejsca przez zawiły kraj lub przez pagórkowaty lód, kiedy wiele odchyleń od prostego kursu jest nieuniknionych, chyba że dopuszcza się odchylenia lub prowadzi się coś w rodzaju „martwego rachunku”. Wszyscy ludzie są w stanie to zrobić w większym lub mniejszym stopniu, a tubylcy Syberii najwyraźniej w cudownym stopniu, choć prawdopodobnie w sposób nieświadomy. Dokonuje się to bez wątpienia głównie za pomocą wzroku, ale być może częściowo za pomocą zmysłu ruchu mięśni, w taki sam sposób, w jaki człowiek ze ślepymi oczami może poruszać się (a niektórzy ludzie znacznie lepiej niż inni) na krótką odległość w prawie prostą, albo skręcić pod kątem prostym, albo z powrotem. Sposób, w jaki poczucie kierunku jest czasami nagle zaburzone u bardzo starych i słabych osób, oraz uczucie silnego niepokoju, którego, jak wiem, doświadczają osoby, które nagle odkrywają, że postępują w całkowicie nieoczekiwany i niewłaściwy kierunek, prowadzi do podejrzeń, że jakaś część mózgu jest wyspecjalizowana w funkcji kierowania.
Później, w 1873 roku, Joseph John Murphy odpowiedział Darwinowi, odpisując do Nature , opisując, w jaki sposób on, Murphy, wierzył, że zwierzęta przeprowadzają rachubę na śmierć, za pomocą tego, co obecnie nazywa się nawigacją bezwładnościową :
Jeśli kula jest swobodnie zawieszona na dachu wagonu kolejowego, otrzyma wstrząs wystarczający do poruszenia jej, gdy wagon zostanie wprawiony w ruch: a wielkość i kierunek wstrząsu… będą zależeć od wielkości i kierunku siły z którym karetka zaczyna się poruszać… [i tak]… każda zmiana w… ruchu karetki… spowoduje wstrząs o odpowiedniej wielkości i kierunku dla piłki. Teraz jest całkiem możliwe, chociaż nie należy mieć nadziei na taką delikatność mechanizmu, że należy skonstruować maszynę… do rejestrowania wielkości i kierunku wszystkich tych wstrząsów, wraz z czasem, w którym wystąpił każdy… z tych danych pozycja karetki… może zostać obliczona w każdej chwili.
Karl von Frisch (1886–1982) badał europejską pszczołę miodną , wykazując, że pszczoły mogą rozpoznać pożądany kierunek kompasu na trzy różne sposoby: na podstawie słońca, wzoru polaryzacji błękitnego nieba i ziemskiego pola magnetycznego. Pokazał, że preferowanym lub głównym kompasem jest słońce; inne mechanizmy są używane przy zachmurzonym niebie lub w ciemnym ulu .
William Tinsley Keeton (1933–1980) badał gołębie pocztowe , wykazując, że potrafią one nawigować za pomocą ziemskiego pola magnetycznego , słońca, a także wskazówek węchowych i wizualnych.
Donald Griffin (1915–2003) badał echolokację u nietoperzy , wykazując, że jest to możliwe i że nietoperze wykorzystują ten mechanizm do wykrywania i śledzenia zdobyczy oraz do „widzenia”, a tym samym poruszania się po otaczającym je świecie.
Ronald Lockley (1903–2000), wśród wielu badań nad ptakami w ponad pięćdziesięciu książkach, był pionierem nauki o migracji ptaków. Przez dwanaście lat prowadził badania burzyków, takich jak burzyk Manx , żyjący na odległej wyspie Skokholm . Te małe ptaki morskie odbywają jedną z najdłuższych migracji ze wszystkich ptaków – 10 000 kilometrów – ale rok po roku wracają do dokładnej nory lęgowej na Skokholmie. To zachowanie doprowadziło do pytania, w jaki sposób nawigowali.
Mechanizmy
Lockley rozpoczął swoją książkę Animal Navigation słowami:
W jaki sposób zwierzęta odnajdują drogę w pozornie bezdrożnym kraju, przez bezdrożne lasy, przez puste pustynie, nad i pod bezkształtnymi morzami? ... Robią to oczywiście bez widocznego kompasu , sekstantu , chronometru czy mapy ...
Zaproponowano wiele mechanizmów poznania przestrzennego dla nawigacji zwierząt: istnieją dowody na istnienie wielu z nich. Badacze często byli zmuszeni odrzucić najprostsze hipotezy – na przykład niektóre zwierzęta mogą nawigować w ciemną i pochmurną noc, kiedy nie widać ani punktów orientacyjnych, ani wskazówek niebieskich, takich jak słońce, księżyc czy gwiazdy. Główne znane lub hipotetyczne mechanizmy opisano kolejno poniżej.
Zapamiętane punkty orientacyjne
Zwierzęta, w tym ssaki, ptaki i owady, takie jak pszczoły i osy ( Ammophila i Sphex ), są zdolne do uczenia się punktów orientacyjnych w swoim środowisku i wykorzystywania ich w nawigacji.
Orientacja według słońca
Niektóre zwierzęta mogą nawigować za pomocą wskazówek niebieskich, takich jak położenie słońca. Ponieważ słońce porusza się po niebie, nawigacja w ten sposób wymaga również wewnętrznego zegara. Wiele zwierząt polega na takim zegarze, aby utrzymać swój rytm dobowy . Zwierzęta korzystające z orientacji kompasu słonecznego to ryby , ptaki , żółwie morskie , motyle , pszczoły , skoczki piaskowe , gady i mrówki .
Kiedy skoczki piaskowe (takie jak Talitrus saltator ) zostaną zabrane na plażę, z łatwością odnajdą drogę z powrotem do morza. Wykazano, że nie dzieje się tak po prostu przez schodzenie w dół lub w kierunku widoku lub dźwięku morza. Grupę skoczków piaskowych zaaklimatyzowano do cyklu dzień/noc przy sztucznym oświetleniu, którego czas stopniowo zmieniano, aż do 12 godzin poza fazą naturalnego cyklu. Następnie skoczki zostały umieszczone na plaży w naturalnym świetle słonecznym. Oddalili się od morza, w górę plaży. Eksperyment sugerował, że sandhoppers używają słońca i swojego wewnętrznego zegara do określenia kierunku, i że nauczyli się rzeczywistego kierunku do morza na swojej konkretnej plaży.
Eksperymenty z burzykami Manx pokazały, że po wypuszczeniu ich „pod bezchmurnym niebem” z dala od ich gniazd, ptaki morskie najpierw zorientowały się, a następnie odleciały we właściwym kierunku. Ale jeśli niebo było zachmurzone w momencie wypuszczenia, burzyki latały w kółko.
Motyle monarchy używają słońca jako kompasu, aby kierować swoją jesienną migracją na południowy zachód z Kanady do Meksyku.
Orientacja na nocnym niebie
W pionierskim eksperymencie Lockley wykazał, że gajówki umieszczone w planetarium pokazującym nocne niebo orientują się w kierunku południowym; kiedy niebo planetarium było wtedy bardzo powoli obracane, ptaki utrzymywały swoją orientację względem wyświetlanych gwiazd. Lockley zauważa, że aby nawigować według gwiazd, ptaki potrzebowałyby zarówno „sekstanta, jak i chronometru”: wbudowanej zdolności odczytywania wzorów gwiazd i nawigacji według nich, co również wymaga dokładnego zegara czasu.
wykazano , że afrykański chrząszcz gnojowy Scarabaeus zambesianus nawiguje przy użyciu wzorców polaryzacji w świetle księżyca , co czyni go pierwszym znanym zwierzęciem, które używa spolaryzowanego światła księżyca do orientacji. W 2013 roku wykazano, że chrząszcze gnojowe mogą nawigować, gdy widoczna jest tylko Droga Mleczna lub gromady jasnych gwiazd , co czyni chrząszcze gnojowe jedynymi owadami, o których wiadomo, że orientują się w galaktyce.
Orientacja za pomocą światła spolaryzowanego
Niektóre zwierzęta, zwłaszcza owady, takie jak pszczoła miodna , są wrażliwe na polaryzację światła. Pszczoły miodne mogą wykorzystywać światło spolaryzowane w pochmurne dni do oszacowania pozycji słońca na niebie w stosunku do kierunku kompasu, w którym zamierzają podróżować. Praca Karla von Frischa wykazała, że pszczoły mogą dokładnie określić kierunek i odległość od ula do źródła pożywienia (zwykle płat kwiatów zawierających nektar). Pszczoła robotnica wraca do ula i sygnalizuje innym robotnicom odległość i kierunek względem słońca źródła pożywienia za pomocą tańca machania . Obserwujące pszczoły są wtedy w stanie zlokalizować pożywienie, lecąc na domniemaną odległość w określonym kierunku, chociaż inni biolodzy kwestionowali, czy koniecznie to robią, czy też są po prostu stymulowani do szukania pożywienia. Jednak pszczoły z pewnością są w stanie zapamiętać położenie pożywienia i dokładnie do niego nawigować, niezależnie od tego, czy pogoda jest słoneczna (w którym to przypadku nawigacja może odbywać się przy słońcu lub zapamiętanych wizualnych punktach orientacyjnych), czy też w dużym stopniu pochmurna (kiedy światło spolaryzowane może być używany).
Magnetorecepcja
Niektóre zwierzęta, w tym ssaki, takie jak ślepe kretoszczury ( Spalax ) i ptaki, takie jak gołębie, są wrażliwe na ziemskie pole magnetyczne.
Gołębie pocztowe wykorzystują informacje o polu magnetycznym wraz z innymi wskazówkami nawigacyjnymi. Pionierski naukowiec William Keeton wykazał, że przesunięte w czasie gołębie pocztowe nie mogą prawidłowo zorientować się w pogodny, słoneczny dzień, ale mogą to zrobić w pochmurny dzień, co sugeruje, że ptaki wolą polegać na kierunku słońca, ale przestawiają się na używanie sygnał pola magnetycznego, gdy słońce nie jest widoczne. Zostało to potwierdzone przez eksperymenty z magnesami: gołębie nie mogły się prawidłowo zorientować w pochmurny dzień, kiedy pole magnetyczne zostało zakłócone.
Węch
Zasugerowano nawigację węchową jako możliwy mechanizm u gołębi. „Mozaikowy” model Papi dowodzi, że gołębie budują i zapamiętują mentalną mapę zapachów na swoim obszarze, rozpoznając, gdzie się znajdują, po lokalnym zapachu. Model „gradientu” Wallraffa dowodzi, że istnieje stały gradient zapachu na dużą skalę, który pozostaje stabilny przez długi czas. Gdyby istniały dwa lub więcej takich gradientów w różnych kierunkach, gołębie mogłyby zlokalizować się w dwóch wymiarach na podstawie intensywności zapachów. Jednak nie jest jasne, czy takie stabilne gradienty istnieją. Papi znalazł dowody na to, że gołębie beznosowe (niezdolne do wykrywania zapachów) były znacznie mniej zdolne do orientacji i nawigacji niż normalne gołębie, więc węch wydaje się być ważny w nawigacji gołębi. Jednak nie jest jasne, w jaki sposób wykorzystywane są wskazówki węchowe.
Wskazówki węchowe mogą być ważne w przypadku łososi , o których wiadomo, że wracają dokładnie do rzeki, w której się wykluły. Lockley przedstawia eksperymentalne dowody na to, że ryby, takie jak rybki, potrafią dokładnie odróżnić wody w różnych rzekach. Łososie mogą używać zmysłu magnetycznego, aby nawigować w pobliżu swojej rzeki, a następnie używać węchu do identyfikacji rzeki z bliskiej odległości.
Receptory grawitacyjne
GPS wskazują, że anomalie grawitacyjne mogą odgrywać rolę w nawigacji gołębi pocztowych.
Inne zmysły
Biolodzy rozważali inne zmysły, które mogą przyczyniać się do nawigacji zwierząt. Wiele zwierząt morskich, takich jak foki, jest zdolnych do odbioru hydrodynamicznego , co umożliwia im śledzenie i łapanie zdobyczy, takich jak ryby, poprzez wykrywanie zakłóceń, jakie pozostawia w wodzie ich przejście. Ssaki morskie, takie jak delfiny i wiele gatunków nietoperzy, są zdolne do echolokacji , której używają zarówno do wykrywania zdobyczy, jak i do orientacji poprzez wyczuwanie otoczenia.
Oznakowanie drogi
Mysz zaroślowa jest pierwszym zwierzęciem innym niż człowiek, które zaobserwowano, zarówno na wolności, jak iw warunkach laboratoryjnych, wykorzystując do nawigacji ruchome punkty orientacyjne. Podczas żerowania zbierają i rozprowadzają rzucające się w oczy przedmioty, takie jak liście i gałązki, które następnie wykorzystują jako punkty orientacyjne podczas eksploracji, przesuwając znaczniki po zbadaniu obszaru.
Integracja ścieżki
Dead Reckoning , u zwierząt zwykle znane jako integracja ścieżki , oznacza łączenie wskazówek z różnych źródeł sensorycznych w ciele, bez odniesienia do wizualnych lub innych zewnętrznych punktów orientacyjnych, w celu ciągłego oszacowania pozycji względem znanego punktu początkowego podczas podróży po ścieżce, która niekoniecznie jest prosta. Postrzegane jako problem w geometrii, zadaniem jest obliczenie wektora do punktu początkowego poprzez dodanie wektorów dla każdego odcinka podróży od tego punktu.
Od czasu Darwina O pochodzeniu pewnych instynktów (cyt. powyżej) z 1873 r. wykazano, że integracja ścieżek jest ważna dla nawigacji zwierząt, w tym mrówek, gryzoni i ptaków . Kiedy wizja (a co za tym idzie wykorzystanie zapamiętanych punktów orientacyjnych) nie jest dostępna, na przykład gdy zwierzęta nawigują w pochmurną noc, na otwartym oceanie lub na stosunkowo pozbawionych cech charakterystycznych obszarach, takich jak piaszczyste pustynie, integracja ścieżki musi polegać na idiotycznych wskazówkach z wnętrza Ciało.
Badania przeprowadzone przez Wehnera na mrówce pustynnej Sahary ( Cataglyphis bicolor ) pokazują skuteczną integrację ścieżek w celu określenia kierunku (na podstawie światła spolaryzowanego lub pozycji słońca) oraz obliczenia odległości (poprzez monitorowanie ruchu nóg lub przepływu optycznego).
Integracja ścieżek u ssaków wykorzystuje narządy przedsionkowe , które wykrywają przyspieszenia w trzech wymiarach , wraz z ruchem motorycznym , gdzie układ motoryczny informuje resztę mózgu, jakie ruchy zostały nakazane, oraz przepływ wzrokowy , w którym układ wzrokowy sygnalizuje, jak szybko świat wizualny przesuwa się obok oczu. Informacje z innych zmysłów, takich jak echolokacja i magnetorecepcja, mogą być również zintegrowane u niektórych zwierząt. Hipokamp , aby zakodować względną pozycję ssaka w przestrzeni.
David Redish stwierdza, że „Starannie kontrolowane eksperymenty Mittelstaedta i Mittelstaedta (1980) oraz Etienne (1987) wykazały niezbicie, że [integracja ścieżki u ssaków] jest konsekwencją integracji wewnętrznych wskazówek z sygnałów przedsionkowych i motorycznej kopii eferentnej”.
Skutki działalności człowieka
neonikotynoidowe mogą upośledzać zdolność poruszania się pszczół. Pszczoły narażone na niski poziom tiametoksamu rzadziej wracały do swoich kolonii, w stopniu wystarczającym do zagrozenia przetrwania kolonii.
Zanieczyszczenie światłem przyciąga i dezorientuje zwierzęta światłolubne, czyli podążające za światłem. Na przykład pisklęta żółwi morskich podążają za jasnym światłem, szczególnie niebieskawym, zmieniając ich nawigację. Zakłóconą nawigację ciem można łatwo zaobserwować w pobliżu jasnych lamp w letnie noce. Owady gromadzą się wokół tych lamp w dużym zagęszczeniu, zamiast poruszać się w sposób naturalny.
Zobacz też
Notatki
Źródła
- Lockley, Ronald M. (1967). Nawigacja zwierząt . Pan Książki.
- Lockley, Ronald M. (1942). Burzyki . JM Dent.
- Czerwonawy, A. David (1999). Poza mapą poznawczą (PDF) . MIT Press.
- Tinbergen, Nico (1984). Ciekawi przyrodnicy (poprawiona red.). Wydawnictwo Uniwersytetu Massachusetts.
- von Frisch, Karl (1953). Tańczące pszczoły . Harcourt, Brace i świat.
Dalsza lektura
- Gauthreaux, Sidney A. (1980). Migracja, orientacja i nawigacja zwierząt . Prasa akademicka.
- Keeton, William (1972) Wpływ magnesów na naprowadzanie gołębi . strony 579–594 w Orientacja i nawigacja zwierząt . NASA SP-262.
- Keeton, William (1977) Odbiór magnetyczny (biologia). W Encyklopedii Nauki i Technologii , wyd. McGraw-Hill.
- Keeton, William (1979) Nawigacja gołębi . strony 5–20 w Neuronowe mechanizmy zachowania gołębia . (AM Granda i JH Maxwell, red.) Plenum Publishing.
Linki zewnętrzne
- Jak działa rzeczy: nawigacja po zwierzętach
- Uniwersytet w Oldenburgu: nawigacja po zwierzętach
- National Geographic: Animal Navigation (zasoby dla nauczycieli)
| Rój biologiczny |  |
|
|---|---|---|
| Migracja zwierząt | ||
| Algorytmy roju | ||
| Ruch zbiorowy | ||
| Robotyka roju | ||
| powiązane tematy | ||
