На протяжение всей истории человечество развивало свои технологии, черпая вдохновленные из окружающего нас мира. И в этом нет ничего удивительного, ведь любой живой организм является биологической инженерной системой, которая подчиняется тем же законам точных наук, что все в этой Вселенной. Ярчайший пример вдохновения природой — самолеты. Человек издревле смотрел на полет птиц и хотел оказаться на их месте. Изучая разных птиц, их физиологические особенности и моторику полета, человек совершенствовал и дополнять собственные летательные аппараты. Но птицы не единственные мастера летного дела. Многие насекомые обладают такими же, если не более продвинутыми, навыками. Пчелы — одни из таких. Ученые из Фрайбургского университета (Фрайбург, Германия) провели исследование, в ходе которого установили, что пчелы летают по невероятно точным траекториям с минимальными отклонениями. Как проводилось наблюдение за полосатыми летунами, какие показатели удивили ученых, и чем для нас могут быть полезны полученные данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Медоносные пчелы регулярно пролетают сотни или тысячи метров между своим ульем и установленными местами сбора нектара. Для навигации на такие большие расстояния они, как известно, сочетают использование ориентиров и интеграцию траектории. Также предполагается, что они строят когнитивную карту. Из-за технических трудностей, присущих отслеживанию этих мелких насекомых, получение трехмерных измерений высокой точности навигации отдельных особей, а следовательно, и детальное понимание их стратегий, было затруднительным. В данном труде ученые использовали новую систему слежения на основе мультикоптерного дрона для измерения индивидуальных траекторий полета медоносных пчел в структурированном сельскохозяйственном ландшафте с беспрецедентным пространственным и временным разрешением.

Изображение №1

В сельскохозяйственном ландшафте ученые установили улей и кормушку с сахарным сиропом на расстоянии 122 м. В разгар лета цветочных ресурсов было мало, и пчелы спонтанно научились посещать кормушку. Используя светоотражающие маркеры, прикрепленные к отдельным пчелам (1A), и дрон, оснащенный системой быстрого слежения, ученые отслеживали полеты между кормушкой (1B) и ульем (1C). Было зафиксировано 255 полных полетов от 26 пчел. В их число вошли 92 вылета (из улья к кормушке; видео №1) и 163 влета (из кормушки к улью; видео №2).

Видео №1

Видео №2

Улей располагался лицом на север под большим деревом в конце большой живой изгороди. Кормушка находилась за кукурузным полем к югу от улья высота кукурузы составляла приблизительно 2 м). Прямой полет между ульем и кормушкой был заблокирован большим деревом. Пчелам приходилось облетать дерево или пролетать над ним. Не было замечено ни одной пчелы, летящей непосредственно над деревом. Было замечено, что вылетающие пчелы выбирали три разных маршрута (1D):

• «вокруг дерева», когда пчела летела к западной стороне дерева через проход в живой изгороди;

• «над живой изгородью», когда пчелы летели к востоку от улья, пересекали живую изгородь и облетали дерево с восточной стороны;

• «вне живой изгороди», когда пчелы летели дальше на восток, облетая восточный конец живой изгороди.

Из зарегистрированных вылетающих полетов 59 облетали дерево, 28 пролетали над живой изгородью и 5 — вне живой изгороди. Прилетающие пчелы были более последовательны в выборе маршрута: 155 полетов проходили вокруг дерева, и только 8 полетов одной пчелы пролетали над живой изгородью.

Изображение №2

Из 26 пчел было замечено, что 9 всегда следовали одному и тому же маршруту полета как при вылете, так и при возвращении (например, 2A), тогда как 13 хотя бы раз выбирали разные маршруты (например, слева на 2B). Пять из них всегда использовали разные маршруты между вылетом и возвращением. Наблюдалось 8 пчел, которые во время вылета использовали как облет дерева, так и облет живой изгороди (например, 2C), но не было выявлено устойчивой тенденции в выборе маршрута с течением времени. Это позволяет предположить, что изменения в выборе маршрута вылета между полетами не были вызваны тем, что пчелы научились выбирать более оптимальный маршрут в течение периода наблюдения. Ученые предположили, что вариации в выборе маршрута вылета обусловлены использованием пчелами векторной навигационной стратегии для управления этим этапом полета. С этой точки зрения, поскольку конечная цель — достижение векторной конечной точки, а пчела использует интеграцию пути для поддержания оценки своего собственного положения, конкретная траектория, используемая для обхода препятствия в виде дерева, может быть неактуальна, при условии, что пчела успешно доберется до намеченного пункта назначения.

Также было замечено, что муравьи выбирают несколько очень точных маршрутов, по-видимому, переключаясь между ними случайным образом. Кроме того, у муравьев было обнаружено, что входящий маршрут усваивается быстро и точно, тогда как исходящие пути усваиваются более постепенно и гибко, что согласуется с выводом о том, что пчелы выбирают один точный маршрут обратно в улей, но могут выбирать несколько маршрутов к кормушке.

Тот факт, что одни и те же пчелы могут выбирать разные маршруты во время нескольких полетов за кормом между ульем и кормушкой, показывает, что в полетах отдельных пчел может наблюдаться большая изменчивость. Однако, если сосредоточиться на траекториях внутри каждого маршрута отдельно, можно отметить поразительно высокую согласованность траекторий отдельных пчел (2D и 2E). Низкая внутримаршрутная изменчивость на исходящем маршруте может быть достигнута, если пчелы выполняют последовательный маневр вокруг дерева, за которым следует последовательный полет, управляемый вектором. Входящие полеты, хотя и остаются весьма последовательными, имели более высокую изменчивость, чем исходящие. Это может быть связано с ограниченной визуальной структурой, доступной в начале входящих полетов. По показателям дальности, продолжительности и скорости полета, исходящий и входящий полеты не различались (2F). Пчелы пролетали примерно 138 м за 25 секунд (около 5.5–6 м/с) независимо от направления. Измерения прямолинейности полета (извилистость и локальное меандрирование) показали, что исходящие полеты были менее прямолинейными, чем входящие. Средняя высота исходящих полетов также была ниже, чем входящих (исходящий: 2.99 ± 0.35 м; входящий: 3.29 ± 0.47 м). Это может объясняться тем, что пчелы выбирали маршрут, по которому они могли лететь ниже на некоторых участках, следуя вдоль края кукурузного поля (1D).

В целом наблюдалась высокая внутрисубъектная согласованность. Исключением стала пчела GOLD_07, у которой наблюдались непостоянные полеты на входе над кукурузным полем, но, как и у других пчел, ее траектории сходились плотно на западной стороне дерева перед ульем. GOLD_07 также совершила единственный зарегистрированный полет на выходе, который прошел мимо кормушки. Интересно, что в этом неудачном полете GOLD_07 выбрала другой маршрут (вдали от живой изгороди) по сравнению с ранее зарегистрированным полетом на выходе (над живой изгородью). Возможно, GOLD_07 не смогла найти кормушку из-за ошибки в оценке положения. Стоит отметить, что этот полет демонстрировал заметные колебания (повторяющиеся движения взад-вперед) после того, как пчела не смогла найти кормушку, что соответствует исследовательскому поисковому поведению.

Аналогичные колебательные циклические поисковые паттерны наблюдались у летающих пчел в предыдущих лабораторных и полевых условиях, включая медоносных пчел, отслеживаемых с помощью гармонического радара. Данные наблюдения за GOLD_07 предполагают, что колебательные движения могут быть важны и для исследовательского или поискового поведения пчел и требуют дальнейшего исследования. Алгоритмические и роботизированные модели показывают, что колебания могут быть полезны не только для исследования, но и, например, для визуального следования по маршруту с целью улучшения сопоставления с видом, а также для калибровки управления высотой на основе вентрального оптического потока. Однако колебания в этом единственном вылете GOLD_07 являются заметным исключением по сравнению с большинством полетов, в которых колебания гораздо менее выражены. Ученые считают, что это может быть связано с тем, что эти пчелы являются очень опытными фуражирами, использующими хорошо изученный маршрут. Отслеживание неопытных пчел по мере изучения этих маршрутов прольет свет на то, как колебательные модели полета могут меняться с опытом.

Далее была исследована изменчивость вдоль каждого маршрута для понимания того, где траектории полета были наиболее точными. Для каждой пчелы ученые вычисляли среднюю траекторию для каждой комбинации маршрута и направления, которую она выбирала. Затем определяли плоскости, перпендикулярные этой средней траектории, с интервалом в 1 м и находили точки пересечения каждой траектории с каждой плоскостью. Затем измеряли разброс точек пересечения с каждой плоскостью как расстояние от медианной точки пересечения внутри комбинации. Изменчивость (средний разброс точек пересечения с плоскостью) не была постоянной вдоль траекторий, следующих по одному и тому же маршруту, и изменчивость по маршруту различалась в зависимости от направления движения (3A и 3B).

Изображение №3

Для полетов вокруг дерева изменчивость неуклонно возрастала на протяжении полета и достигала пика в плоскости 109 у края кукурузного поля. В начале заходов на посадку по этому маршруту изменчивость резко возрастала (локальный максимум на плоскости 109) и оставалась высокой (абсолютный максимум на плоскости 64), а затем быстро снижалась ближе к концу полета. Область наибольшей точности совпадала с близостью к дереву как при исходящих полетах (плоскость 2), так и при заходах на посадку (плоскость 6), в то время как области большей изменчивости наблюдались над кукурузным полем в обоих направлениях полета. На плоскостях с низкой изменчивостью точки пересечения сгруппированы плотно (сверху на 3C). В среднем по всем пчелам точки пересечения на плоскости 6 находились в пределах 0.5 м от медианной точки пересечения (3D). Это предполагает, что наличие заметных близлежащих ориентиров, таких как дерево, может способствовать образованию областей с чрезвычайно высокой точностью полета. Аналогично, точность навигации может быть ниже, когда близлежащая среда более однородна, а единственные доступные ориентиры находятся на большем расстоянии, например, над часто повторяющимся кукурузным полем. Было показано, что пчелы используют проксимальные и дистальные ориентиры в навигационных задачах. Информация от проксимальных ориентиров часто имеет приоритет для медоносных пчел по сравнению с дистальными ориентирами, и проксимальные ориентиры могут быть более информативными для определения положения.

Постепенное накопление изменчивости, наблюдаемое во время исходящих полетов (3A), согласуется с тем, что пчелы используют стратегию векторной навигации (удержание курса с использованием внешнего ориентира на определенном расстоянии) на этом этапе исходящего полета. Ученые предполагают, что эта стратегия может использоваться над кукурузным полем, откуда кормушка невидима, и у пчелы нет заметных ближних ориентиров, а только повторяющиеся локальные визуальные сигналы. Было показано, что медоносные пчелы и шмели следуют линейным наземным объектам, таким как тропы или дороги, особенно когда отсутствуют заметные ориентиры линии горизонта. Сразу после пересечения границы кукурузного поля исходящие траектории часто поворачивали к кормушке, следуя вдоль границы поля (1D и 2A), что способствовало уменьшению изменчивости на последних метрах перед достижением кормушки. В отличие от шмелей, которые в конечном итоге отказываются от таких объектов в пользу более прямых путей, пчелы последовательно следовали границам поля во время многократных полетов. Феромоны, выделяемые железой Насонова у предыдущих фуражиров, могли способствовать заключительной фазе локализации кормушки. При возвращении в улей необходимость набрать высоту над кукурузой перед продвижением к улью может объяснить резкое увеличение изменчивости в начале входящих полетов (3A).

Профиль средней внутрисубъектной изменчивости во входящих полетах может отражать использование пчелами стратегии навигации, основанной на ориентирах, когда отдельные особи направляются к ориентиру, предотвращая накопление ошибок вдоль пути, но не обязательно выбирая каждый раз один и тот же путь, прежде чем следовать точно выученному пути, когда ориентиры становятся более близкими. Однако у вылетающей пчелы нет возможности корректировать траекторию, используя ориентир, и, таким образом, она накапливает ошибки в поле. Индивидуальные различия могут возникать из-за различий в нейронной структуре, например, во входном сигнале (визуального) проекционного нейрона к клеткам Кеньона грибовидного тела или ранее в зрительной системе. В целом, эти результаты свидетельствуют о том, что структура ландшафта, в частности наличие и расположение ближайших ориентиров, влияет на стратегию навигации, используемую пчелами.

Точность навигации медоносных пчел также исследовалась в танце «покачивание», где давно признано, что точность может находиться под генетическим, а следовательно, и эволюционным контролем. Гипотеза настроенной ошибки предполагает, что изменчивость танцев, вероятно, является адаптивной для настройки точности локализации пчел-последователей в соответствии с распределением ресурсов. Однако более поздние работы утверждают, что точность танца ограничена внутренними ограничениями танцора. Ученые обнаружили, что медоносные пчелы могут регулярно воспроизводить одни и те же пути с высокой точностью в течение нескольких полетов. Даже в плоскости наибольшей изменчивости точки пересечения находились в среднем в пределах 2 м от медианы, что эквивалентно угловому разбросу приблизительно 3.30° относительно улья (3E). Это намного меньше, чем угловое расхождение, наблюдаемое в танцах для ресурсов на аналогичных расстояниях. Низкая внутрисубъектная изменчивость и небольшой угловой разброс, измеренные в траекториях полета, предполагают, что навигационные возможности не ограничивают точность танца. Следовательно, полученные данные указывают на то, что изменчивость танца возникает либо из-за адаптивного преимущества, либо из-за ограничений, специфичных именно для танца. Пчелы имеют индивидуальные «калибровки» расстояния для танцев, и недавно было показано, что успех сбора нектара снижается, если калибровка привлеченной пчелы приводит к тому, что она не достигает калиброванного расстояния танцора.

Изображение №4

Наблюдая наименьшую изменчивость к западу от улья, ученые задались вопросом, летят ли входящие пчелы прямо к улью, а затем облетают дерево, или же летят прямо к проему в живой изгороди. Ученые определили направление движения по точкам траектории, а затем сравнили угол между этим направлением и направлением либо к улью, либо к проему для входящих пчел, и направлением к кормушке для исходящих пчел. Во время входящих полетов доля полетов, направленных к улью, была ниже, чем доля полетов, направленных к проему, в диапазоне угловых порогов (4A). Когда полеты были разделены на 20 сегментов, направление к улью было выше в начале полета и уменьшалось к концу (4B и 4C). При рассмотрении отдельных траекторий входящих пчел кажется, что, хотя каждая отдельная пчела повторяет довольно постоянный путь, используемая навигационная стратегия может различаться у разных особей (4D). Пчелы, летящие сначала к улью (например, BLUE_07), могут сначала выполнять векторную навигацию и замедлять свой вектор интеграции пути, прежде чем совершить маневр обхода дерева (слева на 4D), в то время как другие (например, ORANGE_12 и YELLOW_14) летят прямо к проему (посередине и справа на 4D), что предполагает визуально ориентированный путь, основанный на изученных ориентирах. Пчелы, использующие стратегию прямого пути к улью, могут полагаться на глобальные сигналы, такие как поляризационные паттерны, тогда как пчелы, летящие к проему, могли использовать выученный короткий путь. При вылетах большинство пчел пролетали мимо кормушки, а затем следовали вдоль края поля. Это приводило к гораздо меньшей доле полета, выровненного по отношению к цели, по сравнению с вылетами. Поскольку ученые отслеживали только опытных фуражиров, нельзя определить, являются ли стратегия прямого пути к улью у некоторых вылетающих пчел или пролет мимо кормушки у вылетающих пчел выученными стратегиями.

В данном исследовании ученые использовали недавно разработанную систему слежения за пчелами на основе мультикоптерного дрона для записи трехмерных траекторий пчел с высоким разрешением в масштабе ландшафта в структурированной сельскохозяйственной среде. Эта система слежения на основе дрона преодолевает ограничения системы слежения за пчелами на основе гармонического радара, поскольку она не ограничена необходимостью механического сканирования узкого радиолокационного луча по кругу, что приводит к низкому временному разрешению и получению только двухмерных результатов. И, хотя обе системы блокируются растительностью и другими структурами, дрон может маневрировать вокруг препятствий. Эти ограничения радиолокационного слежения обусловили необходимость проведения исследований в плоских, открытых средах, в значительной степени лишенных вертикальной структуры. Исследования в менее открытых средах, как правило, не могут использовать радиолокационное слежение и часто полагаются на пространственно разреженную информацию, полученную путем преследования помеченных животных, мониторинга «исчезающего направления» или методов мечения-повторного отлова. В этой работе ученые отслеживали пчел в ландшафте, который исключал бы возможность отслеживания с помощью радара. При этом было показано, как структура ландшафта влияет на поведение пчел, требуя маневров вокруг таких препятствий, когда прямой полет невозможен, и определяя используемые стратегии навигации.

Полученные результаты показывают, что отдельные пчелы следуют высокоточным, индивидуальным траекториям полета в сложных трехмерных средах. Изменчивость была наименьшей вблизи основных ориентиров и наибольшей в середине полета (над кукурузным полем), что согласуется с использованием визуальных ориентиров для привязки навигации и большей неопределенностью в визуально невыразительных областях. Точность навигации опытных пчел-фуражиров значительно превосходит опубликованные данные о расхождении в движениях во время танца на сопоставимых расстояниях. Это указывает на то, что неточность танца вряд ли отражает ограничения в представлениях пчел о пространстве. Наконец, полеты на входе выявили две потенциальные стратегии навигации: некоторые пчелы летят прямо к улью, а затем выполняют маневр уклонения вокруг дерева, в то время как другие летят прямо к проему в живой изгороди, что предполагает использование визуального ориентира в качестве короткого пути. Это говорит об индивидуальных различиях в стратегии навигации.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые провели наблюдение за пчелами в полевых условиях. Это позволило более точно исследовать их траектории полета от места сбора пищи до улья и наоборот.

Наблюдения показали, что медоносные пчелы гораздо точнее ориентируются в пространстве, чем считалось ранее. Ученые обнаружили, что отдельные медоносные пчелы следуют своим собственным, очень стабильным маршрутам полета и могут повторять их с поразительной точностью, полагаясь на ориентиры в ландшафте.

Для отслеживания насекомых во время полета исследователи использовали метод «быстрого захвата цели (FLO от Fast Lock-On)». Метод включает в себя прикрепление крошечного светоотражающего маркера к каждой пчеле. Компьютер, установленный на дроне, анализирует отраженный свет и может идентифицировать и отслеживать пчелу в течение миллисекунд во время полета.

Наблюдения показали, что каждая медоносная пчела следует своему собственному предпочтительному маршруту и поддерживает этот путь с исключительной точностью как при вылете, так и при возвращении. Пчелы, по-видимому, также используют особенности окружающего ландшафта для ориентирования на местности. Исследователи проанализировали 255 траекторий полета. Исследуемая территория включала в себя живые изгороди, кукурузное поле и дерево, которое стояло между ульем и источником пищи, препятствуя прямому маршруту. Наиболее стабильное поведение в полете наблюдалось вблизи заметных элементов ландшафта, особенно дерева. Наибольшие различия наблюдались, когда пчелы летали над кукурузным полем, где пейзаж предлагал меньше четких визуальных ориентиров.

Результаты также проливают новый свет на знаменитый танец-покачивание — поведение, которое медоносные пчелы используют для передачи информации о местоположении источников пищи другим членам колонии. Ранее было известно, что информация о направлении в танце не совсем точна. Для источников пищи, расположенных примерно в 100 метрах, информация о направлении в танце может отклоняться примерно на 30 градусов. Новое исследование предполагает, что эта неточность в танце не является результатом плохих навыков навигации. Вместо этого пчелы, по-видимому, гораздо точнее ориентируются в местах, которые они уже знают.

Ученые отмечают, что отдельные пчелы гораздо точнее ориентируются в местах, которые им знакомы. Даже там, где их траектории полета наиболее сильно различаются, они отклоняются от своего индивидуального маршрута всего на несколько градусов. Полученные результаты позволяют заключить, что неточность танца не связана с ограниченными навигационными способностями пчел. Скорее, отдельные животные пространственно ориентированы гораздо точнее, чем можно было бы предположить, исходя из их танцевальной коммуникации.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?