Швейцарские и немецкие энтомологи установили, что обитающий в пустыне Сахара муравей Cataglyphis fortis измеряет пройденное расстояние шагами. Чтобы доказать это, ученые изменяли насекомым длину ног. Муравьи «на ходулях» недооценивали пройденное расстояние, а муравьи «на культях» считали, что прошли больше, чем на самом деле. Точное определение пройденного расстояния, наряду с «внутренним компасом», необходимо муравьям для вычисления прямого курса при возвращении в гнездо после долгих странствий по лишенной ориентиров пустыне.
«Человек вышел из точки А и прошел 3 км на север, потом повернул на 35° влево, прошел еще 2 км и пришел в точку Б. В какую сторону ему следует идти, чтобы по прямой вернуться в точку А?»
Даже люди с высшим образованием испытывают большие затруднения при решении подобных задач, особенно если под рукой нет калькулятора (если и вспомните формулу — лично я ее не помню — ни за что не вспомните нужные синусы-косинусы). Многие общественные насекомые, однако, решают такие задачи с удивительной точностью, безошибочно возвращаясь в гнездо кратчайшим маршрутом после долгих странствий с множеством поворотов. Причем для этого им даже не нужны ориентиры. Обитающему в пустыне Сахара муравью Cataglyphis fortis на ориентиры рассчитывать вообще не приходится — кругом один песок, а поиски корма в этой безжизненной местности требуют длительных и далеких путешествий.
Для вычисления курса пустынные муравьи используют информацию о длине и направлении каждого пройденного отрезка пути. Направление они определяют по солнцу, как и многие другие животные. Между прочим, для этого нужно иметь еще и хороший внутренний хронометр, календарь и «встроенные» в мозг таблицы движения солнца по небосклону, поскольку это движение отнюдь не равномерно — около полудня, например, угловая скорость движения солнца намного выше, чем утром и вечером.
Метод, при помощи которого пустынные муравьи определяют пройденное расстояние, до сих пор оставался неизвестным. К ним неприменима «энергетическая гипотеза», согласно которой животные могут определять пройденное расстояние по затраченным усилиям. Ведь муравьи безошибочно прокладывают курс независимо от того, идут они налегке или с грузом. Не пользуются они и методом «зрительного потока» (optic flow), подобно пчелам, которые оценивают дальность полета по суммарному количеству «мелькания в глазах». Пустынные муравьи не ошибаются в оценке пройденного пути ни в темноте, ни на искусственных абсолютно
Манипуляции с длиной ног пустынного муравья:
«ходули» (stilts), нормальные ноги (normal) и «культи» (stumps).
Рис. из статьи в Science
гладких поверхностях, где не за что зацепиться взгляду, ни даже лишенные возможности видеть.
Еще в 1904 году было высказано предположение, что муравьи меряют расстояние шагами (H. Piéron. 1904. Du rôle du sens musculaire dans l’orientation des fourmis. Bull Inst Gen Psychol 4:168–186), но до сих пор эту гипотезу никто не пытался проверить. Пробел решил восполнить Матиас Витлингер из Ульмского университета и его коллеги — энтомологи из Германии и Швейцарии, уже давно изучающие поведение пустынных муравьев.
В ходе эксперимента одним муравьям ноги обрезали (точно посередине голени), другим удлиняли, приклеивая свиную щетинку.
Муравьев приучили бегать из гнезда к кормушке по прямому желобку длиной 10 м. Возле кормушки муравьев ловили, меняли им длину ног, давали в челюсти кусочек пищи (чтобы было с чем возвращаться в гнездо) и выпускали в другой желобок, ориентированный параллельно исходному. Муравьи немедленно отправлялись в «обратный путь», то есть бежали в сторону предполагаемого гнезда. Пробежав по прямому желобку определенное расстояние, соответствующее, как они полагали, расстоянию от кормушки до гнезда, муравьи вылезали из желобка и начинали бегать туда-сюда в поисках входа в гнездо.
Ученые тщательно замеряли расстояние между той точкой, где муравей был выпущен в желобок, и той, где он переключался с поведенческой программы «бегу домой» на программу «где же вход?». Оказалось, что муравьи, которым не меняли длину ног, начинали искать вход, пройдя в среднем 10,2 м, муравьи на ходулях пробегали 15,3 м, а муравьи на культях — лишь 5,75 м.
После этого муравьев с измененной длиной ног возвращали в гнездо, где они продолжали жить и совершать успешные рейды за пропитанием в течение многих дней, что говорит о том, что совершенные над ними манипуляции не слишком сильно им повредили. Правда, двигались они несколько медленнее «немодифицированных» сородичей. Средняя скорость передвижения нормального рабочего муравья этого вида составляет 0,31 м/с, тогда как особи с укороченными ногами бегали со скоростью 0,14 м/с, с удлиненными — 0,29 м/с.
«Модифицированных» муравьев, поживших какое-то время в гнезде, повторно ловили у кормушки и снова сажали в параллельный желобок, чтобы определить, как они оценивают пройденный путь после того, как добежали от гнезда до кормушки уже на измененных ногах. Если «гипотеза шагомера» верна, теперь они уже не должны были ошибаться. Так и оказалось: муравьи «на ходулях» и муравьи «на культях», как и нормальные муравьи, начинали искать вход в гнездо, пройдя 10 метров и еще чуть-чуть.
Самым сложным для исследователей оказалось измерить длину муравьиного шага. Проблема осложнялась тем, что длина шага зависит от размера насекомого (размеры рабочих муравьев этого вида сильно варьируют), а также от скорости движения: чем быстрее идет муравей, тем шире он шагает. Заснять на скоростное видео весь обратный путь муравья, чтобы просто подсчитать шаги и измерить их среднюю длину, у исследователей не было возможности. Съемка проводилась в небольших экспериментальных установках. В итоге выяснилось, что длина шага нормального муравья составляет в среднем 13,0 мм, «на ходулях» — 14,8 мм, «на культях» — 8,6 мм.
Чтобы окончательно подтвердить «гипотезу шагомера», нужно было убедиться, что в первой серии экспериментов (когда путь к кормушке муравьи проделывали на нормальных ногах, а обратно бежали на измененных) насекомые начинали искать вход в гнездо, пройдя столько же шагов, сколько на пути к кормушке. Для муравьев с укороченными ногами это подтвердилось. А вот для муравьев «на ходулях» — не совсем. Оказалось, что они проходили на обратном пути на 3,0–3,5 м больше, чем следовало, исходя из средней длины их шага.
Причины этого несоответствия ученые намерены выяснить в ходе дальнейших исследований. Пока же они ограничились предположением, что наблюдаемый сбой в работе шагомера может быть вызван нарушением соотношения между длиной шага и скоростью движения у муравьев «на ходулях». Если у муравьев «на культях» снижение скорости оказалось пропорциональным уменьшению длины шага (и то и другое уменьшилось примерно вдвое), то у муравьев «на ходулях» шаг увеличился, а скорость движения, наоборот, снизилась (возможно, из-за веса клея и свиной щетины). Муравьи просто стали медленнее перебирать ногами. Ученые отметили, что если бы скорость движения муравьев «на ходулях» увеличилась настолько же, насколько она уменьшилась у муравьев «на культях», то и длина шага у первых оказалась бы больше (исходя из установленной зависимости длины шага от скорости), и тогда все цифры в их эксперименте замечательно сошлись бы.
В целом эксперимент получился красивый, и «гипотеза шагомера» в итоге получила весомое подтверждение, хотя принцип работы самого «шагомера», по-видимому, все-таки отличается от простого подсчета шагов. Похоже, муравьи принимают в расчет также и скорость перебирания ногами и учитывают при этом, что при ее снижении шаг у них получается короче.
