Как муравьи находят домой дорогу

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.

Каким образом муравьи находят дорогу домой в муравейник

То, как муравьи находят дорогу домой, изучали и продолжают изучать тысячи ученых. И не просто так: в этой способности насекомых задействовано множество механизмов, позволяющих по-новому взглянуть не только на мир насекомых, но и на способности самого человека.

Как выяснилось, муравьи находят дорогу домой сразу несколькими способами. Они используют для этого:

• ориентацию по солнцу, хотя большинство людей сами по солнцу вряд ли смогут сориентироваться в пространстве
• запоминание пейзажей и различных предметов
• химические методы
• «встроенный» шагомер
• магнитное поле Земли.

И, как осторожно замечают специалисты-мирмекологи (ученые, изучающие муравьев), они вполне допускают наличие и других механизмов, позволяющих муравьям безошибочно находить дорогу домой, но еще не изученных человеком. Хотя каждый из отмеченных выше способов сам по себе очень эффективен и может обеспечить муравьев безошибочной навигацией.

Тягу к месту своего обитания или рождения ученые называют словом «хоминг» (от англ. Home – дом). Оно особенно ярко проявляется у лососей, которые безошибочно находят реку, в которой вылупились мальками из икры, после долгих лет обитания в океанических просторах.

Химические метки на маршрутах

Химическим способом ориентации пользуются все без исключения муравьи. Для них вообще характерна высокая чувствительность к запахам и склонность именно к химической коммуникации. Звуков муравьи не издают, а у некоторых видов рабочие особи вовсе слепы, и запахи для них остаются единственным способом общения, поиска пищи и ориентирования в пространстве.

Для коммуникации и формирования меток муравьи используют различные феромоны, специфичные для каждого вида и для каждой конкретной ситуации. В том числе — и для пометки маршрутов.

Запахи также используют многие муравьи-рабовладельцы и насекомые, паразитирующие в муравейниках. Например, научившись вырабатывать феромоны, свойственные конкретному виду муравьев, они проникают в их жилища и там либо питаются запасами муравьев или их яйцами, либо похищают личинок, либо просто обитают в комфортных для них условиях.

Для возвращения в муравейник каждый муравей по мере своего движения оставляет микроскопические запаховые метки. И дорожки, по которым насекомые перемещаются особенно часто, выглядят для них, как для человека — скоростные шоссе. А «протоптанные» один раз — словно тропинка в лесу.

Очень важно и топохимическое чувство у муравьев, благодаря которому они могут определять не только запах метки, но и её размеры и направление. Такой тонкости обоняния нет даже у собак: охотничий пес, наткнувшись на след зайца, может ошибиться в направлении движения добычи. Муравей же, встретив химическую метку, будет точно знать, где находятся предыдущая и последующая метки, а также в какой стороне лежит муравейник, а в какой — источник пищи.

Не стоит рассматривать эту способность муравьев как рисование феромонами своеобразных стрелок. Это — визуальная интерпретация такого феномена, но работает она по тому же принципу: в количестве пахучего вещества и его запахе для насекомого и закодирована вся необходимая информация.

Для того чтобы сбить с толку муравьев, достаточно «перебить» запах их дорожной метки более сильным ароматом. Простого обрызгивания троп дезодорантом достаточно для этого. Однако благодаря врожденному трудолюбию муравьи очень быстро восстановят первоначальную тропу.

Таким образом, каждая тропа муравьев — это своеобразная дорога с большим количеством указателей направления, понятных каждой рабочей особи.

Физические объекты как надежные ориентиры

Запоминание расположения разных предметов и элементов пейзажа, так понятное нам, характерно и для муравьев. Однако учитывая размеры самих насекомых, такой способ ориентирования имеет у них некоторые особенности.

• Муравьи запоминают предметы своего масштаба: кустики травы, отдельные камни, трещины в земле. Было бы чересчур опрометчиво ожидать о них ориентирования по зданиям и рекам.
• Систему своеобразных снимков территории муравей активно дополняет навигацией по небесным светилам. В лабораторных экспериментах было выяснено, что если кормовую площадку муравьев с муравейником повернуть относительно Солнца, не меняя положения наземных ориентиров, насекомые приходят в замешательство. Разумеется, в природе таких ситуаций не случается, что делает такую систему очень надежной: если вокруг муравейника серьезно изменить ландшафт (расчистить, например, траву), насекомые все равно сориентируются по Солнцу.

Интересно, что некоторые муравьи активно обучают своих товарищей находить дорогу домой и участок с пищей. Причем такое обучение вовсе не похоже на простое следование одного фуражира (члена муравейника, специализирующегося на добывании пищи) за другим: если «ученик» отстает от «учителя», учитель его ждет и помогает найти оптимальный путь.

Ориентация по Солнцу

Способность муравьев ориентироваться по Солнцу очень сложна и до сих пор активно изучается.

Во-первых, муравьи могут учитывать направление на Солнце даже при кратковременных и небольших перемещениях.

Во-вторых, эти насекомые умеют делать поправку на смещение светила с течением времени. Даже если муравей убегает из муравейника утром, а возвращается только к полудню, он учтет, что за это время Солнце поднялось над горизонтом.

В-третьих, в глазах муравьев есть специальные клетки, которые учитывают направление солнечного света. Так им не приходится делать никаких расчетов: их мозг сам получает из целевых клеток информацию и делает нужную поправку.

Ориентир — магнитное поле Земли

Ещё окончательно не известно, используют ли ориентацию по магнитному полю Земли все муравьи, или только исследованные специально с этой целью муравьи-листорезы. Но в результате эксперимента выяснилось, что при нарушении запаховых меток и при отсутствии солнечного света поведение муравьев можно было изменять, внося определенные помехи в магнитное поле в области передвижения насекомых.

Скорее всего, какой-либо из органов муравья работает в режиме компаса, улавливая направление на север, что при совмещении с другими системами ориентирования помогает насекомым находить нужное им направление движения. С его помощью муравьи находят дорогу домой даже в сумерки, когда Солнце уже скрывается за горизонтом.

Муравьи находят дом… считая шаги!

И это открытие в области поведения муравьев оказалось самым большим сюрпризом для этологов: многие виды муравьев для поиска корма считают количество шагов, проделанных в определенном направлении. Сегодня ученые считают даже, что муравьи подсчитывают шаги между каждым поворотом.

Такую способность обнаружила исследовательская группа, которая провела не самый этичный эксперимент: нескольким муравьям из одного и того же муравейника были подрезаны лапки, а ещё нескольким — на лапки же приклеены миниатюрные ходули. Группа «коротконогих» муравьев оканчивали свой путь к корму, не доходя до него, группа же «муравьев на ходулях» успешно пробегала участок с пищей и начинали искать корм дальше, там, где его нет.

У большинства видов муравьев при поиске дороги домой и в целом при ориентировании в пространстве сочетаются если не все перечисленные, то несколько из описанных способов, что повышает точность нахождения нужного маршрута. Для многих муравьев это особенно важно. Например, представители видов, обитающих в пустынях, рискуют просто сгореть на солнце или погибнуть от обезвоживания на поверхности земли с температурой около 50°С, если в нужное время не сумеют вернуться в прохладную нору.

Не исключено, что муравьи в будущем подарят людям ещё несколько сюрпризов в области ориентирования в пространстве.

С помощью чего и как муравьи находят дорогу домой

Многим интересно знать, как муравьи находят дорогу домой. Ведь они такие маленькие, а мир такой большой и постоянно меняющийся. Все понятно, когда фуражиры выстраиваются друг за другом в цепочку. В этом случае с тропы не собьешься. А вот что делает муравей, если он остался один, а в муравейник вернуться нужно?

Главные органы чувств ориентации в пространстве

У каждой группы видов есть свои особенности ориентирования в пространстве. Например, для птиц главным является зрение. Млекопитающие больше доверяют обонянию. У рыб есть боковая линия, которая позволяет им чувствовать колебания воды.

Муравьи обладают развитыми органами чувств, что является обязательным условием жизни в двух средах — под землей и на земле. Сложные ходы в муравейнике, дальние переходы за кормом, коллективный образ жизни — все это требует от муравьев быстрой реакции, хорошей памяти, слаженных действий и заботы друг о друге.

Ориентируются в пространстве и находят дорогу дому муравьи с помощью:

• использования солнца как универсального ориентира;
• фиксации в памяти всех предметов, попадающихся на пути;
• использования химических меток на тропе;
• отсчитывания количества шагов для оценки пройденного расстояния;
• ориентации по магнитным полям.

Этот перечень многие ученые считают далеко не полным, но единственно известным. Вполне возможно, что эти насекомые пользуются неизвестными нам органами чувств и ориентирами. Легко изучать строение и химический состав организма, а вот познать в тонкостях поведение общественных насекомых очень сложно.

Использование химии

Найти свой дом по запаховым меткам — что может быть проще. Химическую информацию о себе оставляют все. Это индивидуальный запах, который может распознать каждое животное, обладающее хорошим обонянием. Именно так ищут свою добычу все псовые и кошачьи.

Муравьи, конечно, оставляют на тропе запах своего тела. Однако, каждый муравей пахнет, прежде всего, своим муравейником. По этим индивидуальным меткам любая особь из данного муравейника может найти как своего собрата, так и свой дом.

Для муравьев, не обладающих вербальным общением, химический язык является самым главным источником информации.

По метке, оставленной на земле, они могут определить давность следа и состояние муравья. Так что химическая метка, оставленная одним муравьем, поможет отыскать свой дом всем остальным муравьям этой семьи.

Ориентация по Солнцу и предметам

Зрение у муравьев хорошее, но оно сильно отличается от человеческого. Ориентация по Солнцу для них — это не зрительная фиксация светила, а определение источника максимально интенсивного освещения.

Механизм ориентации по Солнцу очень прост — если утром колонна фуражиров все время двигалась прямо на солнце, то к вечеру, повернув назад, нужно двигаться опять прямо на солнце. Возникает вопрос — насколько совершенны эти маленькие создания, чтобы понять тонкости вращения Земли вокруг своего светила.

Исследования показали, что муравьи могут учитывать направление, ориентируясь по Солнцу, даже при кратковременных и небольших перемещениях.

Мало того, они способны делать поправку на смещение светила с течением времени.

Ориентация по источнику света осуществляется с помощью специальных клеток, которые распознают направление солнечного света.

То, что муравьи хорошо организованы и обладают коллективным разумом, ни у кого не вызывает сомнения. Возможно, на инстинктивном уровне они понимают значение света как ориентира в пространстве. В таком случае возникают еще один вопрос — насколько сильно влияет на муравьев искусственное освещение.

Логично предположить, что лампочка может сильно дезориентировать муравья, особенно такого, как в знаменитом мультике.

И, кстати, а почему муравьи на ночь все прячутся? Ведь, если у них так развита химическая ориентация, то не лучше ли выходить на охоту ночью. Этот факт привязанности к дневному образу жизни свидетельствует о важности в жизни муравьев ориентации с помощью зрения.

Несомненно, эти насекомые фиксируют все особенности предметов. Логично предположить, что запоминаются муравьями предметы небольшие, поскольку именно их они могут охватить взглядом. Проводились опыты по устранению различных предметов с самой фуражирной тропы или рядом с ней. Муравьи с большим волнением реагировали на перемещения мелких предметов, в то время как изменения в крупных предметах воспринимали спокойней.

Встроенный шагомер и его функция

Для определения расстояния, если нет никаких приборов для его измерения, люди использовали собственное тело. Измерения производились в шагах, длине стопы, расстоянии между мизинцем и большим пальцем, в длине руки от пальцев до локтя. Муравьи пошли по тому же пути. Пройденные расстояния они измеряют в количестве шагов.

Это дает следующее. Во-первых, зная расстояние до муравейника, можно точно определить, когда возвращаться, чтобы придти домой до захода солнца. Во-вторых, измерения производятся не только от себя до муравейника, но и от поворота до поворота, от одного ориентира до другого.

Таким образом, шагомер позволяет рассчитать свои силы и обозначить расположение визуальных ориентиров.

Магнитное поле как дополнительный ориентир

Если муравьи считают шаги и ориентируются по солнцу, то почему бы им не иметь собственный компас? Возможно, так оно и есть. По крайней мере, эксперименты на муравьях-листорезах показали, что они способны ориентироваться в пространстве при устранении запаховых меток и солнечного света. Однако, эти насекомые были полностью дезориентированы при появлении помех в магнитном поле.

Таким образом, муравьи имеют целый комплекс средств ориентации в пространства. Такой комплекс является системой дублирующих функций, которые позволяют насекомым возвращаться домой в самых трудных условиях.

Как муравьям удается найти дорогу домой в муравейник?

Помните знаменитую сказку Виталия Бианки, как муравьишка попадал домой после заката солнца? На стрекозе, на гусенице, на жуке-плавунце… Самое интересное, что он не заблудился и вовремя успел в свой муравейник.

В основе сказки лежит способность насекомых ориентироваться в пространстве. Но что является основополагающим принципом, помогающим муравьям вернуться домой, до сих пор остается загадкой.

Некоторые моменты доказаны экспериментально, а некоторые так и остались на уровне гипотез. Какие механизмы управляют насекомыми и не дают им сбиться с пути – этот вопрос и попытаемся выяснить.

Долгий путь домой

Ученые-мирмекологи сумели доказать, что муравьи практически всегда успешно возвращаются в муравейник. В дикой природе препятствующих факторов для этого почти не существует. Их можно создать только искусственно и непосредственно при помощи человека.

Итак, муравьи находят дорогу домой, используя заложенные в них способности:

• Ориентироваться по запаху.
• Солнцу и тени.
• Магнитному полю земли.
• Шагомеру.
• Окружающему пейзажу.

В основе всего лежит уникальная генетическая «память», включающая множество самых необходимых для выживания параметров.

Ученые не отрицают, что могут существовать и другие биомеханизмы, безошибочно возвращающие насекомых в муравейник, но на данный момент все остальные предположения могут существовать именно в виде гипотез.

Феромоны и муравьи

Как муравьи находят дорогу домой, для человека всегда представлялось загадкой. Запахи – основной момент в жизни муравьев, позволяющий им не только ориентироваться в пространстве, но и отличить своего от чужака.

Химический способ ориентации характерен для всех видов муравьев. Чувствительность к запахам и химической коммуникации особенно свойственна «рабочим» насекомым, у которых отсутствует зрение и слух. Примечателен тот факт, что муравьи не издают звуков и, соответственно, не могут предупреждать с их помощью об опасности или наличии рядом с ними лакомого куска.

Каждому виду муравьев присущи определенные феромоны, которые используются в зависимости от конкретной ситуации. По большому счету речь идет о химическом составе и концентрации активных веществ.

Для обозначения маршрута муравьи используют характерные метки, по которым они без ошибки смогут найти правильную дорогу домой. При этом насекомые не перепутают направление и не уйдут в противоположную сторону. Микроскопические метки, оставляемые каждым муравьем, соединяются в потоки запахов и выглядят для них, как для человека – федеральная трасса с плотным потоком. Для сравнения – единожды проползший муравей оставляет после себя едва заметную «тропинку».

Топохимический характер обоняния у муравьев позволяет обнаружить не только метку, но также ее размер и направление. Обнаружив запах, насекомое способно определить, какую информацию он содержит: это – или пища, или враг, или дорога домой.

Не стоит приписывать муравьям какую-то исключительную способность осознанно оставлять и использовать запахи. Все механизмы заложены на генетическом уровне, и не стоит искать здесь что-либо сверхъестественное.

Интересно. Активно используют схожие запахи насекомые-паразиты или муравьи-рабовладельцы. Выделяя схожие по составу феромоны, они аккуратно, и в то же время интенсивно, вживаются в среду и начинают использовать яйца и личинки в качестве пищи. Иными словами, создают себе комфортные условия обитания.

Камни, кустики, ложбинки

Оказывается, муравьи могут ориентироваться на местности – они с легкостью запоминают лежащие на их пути препятствия в виде камней, веток и других преград. Но, учитывая размеры самих насекомых, эти особенности предполагают некоторые нюансы: вряд ли муравьи визуально смогут правильно оценить параметры зданий или больших пространств.

Интересно. Факт наставничества весьма примечателен среди муравьев. «Учителя» не бросают своих «учеников» на середине пути – таков закон природы. При обучении поиска пищи или возврата домой муравьи-наставники терпеливо дожидаются своего подопечного и вместе с ним совершают весь путь от начала до конца.

Тропа муравьев имеет весьма четкие очертания, и при попадании на нее посторонних предметов типа большой ветки или камня, временное замешательство быстро сменяется четко организованным движением.

Влияние Солнца или сам себе муравей

Существует определенная гипотеза, что муравьи могут ориентироваться по Солнцу. При этом учитываются такие факты, что в глазах насекомых имеются клетки, способные воспринимать солнечный свет. Мозг получает нужную информацию и подает сигналы нужного действия.

Опять вспоминаем сказку Бианки про муравья: он ведь не просто так забеспокоился о своем возврате домой в нужное время – до захода Солнца.

Считается, что насекомые в состоянии делать поправку на смещение светила во времени. Способность муравьев ориентироваться по Солнцу – практически доказанный факт. Иначе как объяснить затихающую активность перед самым закатом и прекращение всякого движения в темноте.

Раз, два, три, четыре

Оказывается, муравьи подсчитывают шаги. Конечно, не в прямом смысле, но определенный алгоритм действия у них присутствует.

Учеными был проведен не вполне гуманный эксперимент, доказывающий, что у насекомых имеется встроенный шагомер. В длинный аквариум были помещены пустынные муравьи, при этом источник пищи располагался в 10 метрах от муравейника. После того, как проложенная тропа была задействована в течение некоторого времени, у части муравьев укоротили лапки (читайте – оторвали фалангу), другим – удлинили.

Насекомые с укороченными конечностями начинали искать пищу раньше источника, а муравьи с удлиненными лапами проходили мимо еды. Счетчик шагов в мозгу работает исправно и без перебоев: инстинктивно отсчитывается необходимое количество движений.

Эпилог

Муравьев можно отнести к высоко организованным насекомым. Четкая иерархия в деятельности такого большого органа как муравейник говорит о предусмотренном разделении обязанностей насекомых.

Но на данный момент речь идет о способности муравьев возвращаться домой. Ради интереса можно кинуть на тропу или большую тряпку, но насекомые очень быстро найдут обходной путь.

Сбить с толку муравьев возможно, разлив пахучую жидкость на тропу. Явная дезориентация вскоре сменится строго ориентрированным движением в нужную сторону, если только не была залита огромная площадь (в муравьиных масштабах).

{SOURCE}