Иногда быть непредсказуемым выгодно. Новое исследование показывает, что когда преследуют двуногих пустынных грызунов, называемых тушканчиками, внезапные изменения направления, походки и скорости помогают им ускользать от голодных хищников и, вероятно, дают им конкурентное преимущество перед четвероногими соседями.
«Мы разработали метод измерения непредсказуемости движений животных в трехмерном пространстве и использовали его для изучения движений, связанных с побегом, у нескольких видов пустынных грызунов», - сказала биолог-эволюционист Мичиганского университета Талия Мур.
Она работала с междисциплинарной группой исследователей, в которую входили биологи из Гарвардского и Калифорнийского университетов в Сан-Диего, а также инженер-механик из Университета Мексики.
Выводы группы, публикация которых запланирована на 5 сентября в журнале Nature Communications, могут помочь инженерам создавать биомиметических роботов, адаптированных к конкретным условиям. Результаты также показывают, что прямохождение у пустынных грызунов могло эволюционировать, чтобы ограничить межвидовую конкуренцию и увеличить разнообразие животных.
Мур, научный сотрудник с докторской степенью в Департаменте экологии и эволюционной биологии Университета штата Массачусетс, обнаружил, что превосходная уклончивость тушканчиков возникает из-за их уникальной походки. Хотя двуногость развивалась несколько раз у разных типов грызунов, в том числе у кенгуровых крыс и австралийских прыгающих мышей, тушканчики являются единственной группой, которая, по наблюдениям, использует три разных модели шагов или походок при движении на своих длинных задних ногах: прыжки, прыжки и бег.
В то время как предыдущие наблюдения показали, что тушканчики прыгают на самых низких скоростях, прыгают на средних скоростях и бегают на самых высоких скоростях, команда Мура не обнаружила существенной разницы между средней скоростью каждой походки.
Посредством ряда лабораторных экспериментов Мур и ее коллеги показали, что тушканчики передвигаются с пошаговыми изменениями походки, что вызывает частые изменения длины, направления и скорости шага. Их маневры уклонения могут включать в себя мгновенные всплески ускорения, кенгуру-подобные прыжки, беспорядочные зигзагообразные и акробатические прыжки..
Мур и ее коллеги подозревали, что эти резкие движения помогают тушканчикам сводить на нет попытки воздушного хищника рассчитать курс перехвата. Так как они хотели увидеть, как эти животные ведут себя в их естественной среде обитания, они отправились в северо-западный Китай и разработали новый набор полевых экспериментов, чтобы изучить, спасаются ли четвероногие, песчанкоподобные джирды и двуногие тушканчики от хищников разными способами.
Большая часть того, что известно о передвижении животных, было получено из исследований на беговой дорожке, включающих прямолинейное движение с почти постоянной скоростью в течение длительных периодов времени - предсказуемая походка. Поскольку тушканчики могут прыгать более чем на полметра в высоту (более чем в 10 раз выше их высоты бедра) и всегда меняют направление, Мур и ее коллеги должны были разработать способ измерения непредсказуемости в трех измерениях.
Они позаимствовали метрику случайности, называемую энтропией, из теории информации и использовали ее для измерения непредсказуемости грызунов, когда тушканчики избегали имитации хищничества. Это первый количественный метод, позволяющий охарактеризовать наземное передвижение в трехмерном пространстве.
«Мы обнаружили, что двуногие тушканчики гораздо более непредсказуемы, чем четвероногие», - сказал Мур. «Эта повышенная непредсказуемость, вероятно, возникает из-за их уникальной походки и дает им преимущество в эволюционной гонке вооружений между хищником и добычей."
Чтобы проверить, действительно ли непредсказуемость тушканчиков соответствует повышению успешности уклонения от хищников, исследователи провели поведенческие эксперименты, в ходе которых измерялась склонность животных искать убежище, что называется тигмотаксис..
Мелкие кормодобывающие животные, восприимчивые к хищникам, сталкиваются с конфликтом между необходимостью исследовать новые районы в поисках пищи и желанием оставаться на закрытых территориях в безопасности от хищников. Из-за этого конфликта количество времени, которое животное проводит на открытой местности, зависит от его способности уклоняться от хищников: по мере увеличения уклончивости поведенческая близость к укрытию и так называемая «тревожность открытого поля» уменьшаются.
Исследователи измерили тигмотаксис грызунов, чтобы проверить предсказание о том, что прямохождение у тушканчиков связано со снижением беспокойства в открытом поле, что еще больше подтверждает их гипотезу о том, что прямохождение увеличивает способность уклоняться от хищников.
Во время смоделированных испытаний хищничества Мур и ее коллеги заметили, что двуногие тушканчики исследовали весь экспериментальный вольер, в то время как джирды, как правило, оставались вблизи обнесенной стеной периферии. Она провела второй эксперимент в лаборатории с выращенными в неволе животными, которые никогда раньше не видели хищников. Результаты обоих экспериментов показывают, что прямохождение у грызунов связано с меньшим тигмотаксисом и большим уклонением от хищников в открытых условиях.
Методы, изобретенные в этом исследовании, помогают вывести количественную биомеханику из лаборатории, где животные изучаются в искусственной среде, в поле, где животные реагируют на жизненно важные ситуации. Результаты показывают, что понимание эволюции морфологии, передвижения и поведения может помочь биологам понять экологическую структуру сообществ животных.
Кроме того, выводы могут найти применение в области робототехники. Большая часть работы по передвижению роботов связана с плавным и предсказуемым движением в средах с низкой изменчивостью. Включение непредсказуемого и переменного движения должно улучшить производительность роботов, которые имитируют живые организмы и перемещаются по той же местности.
«Эта работа указывает на новый способ создания робота, который может быть полезен при навигации по пустынной среде или пустынным планетам», - сказал Рам Васудеван, доцент кафедры машиностроения Университета штата Массачусетс и соавтор статьи Nature Communications.. «Мы хотим попытаться создать роботов, способных работать в любых условиях».
Он вспомнил случай, когда колесный марсоход NASA Curiosity застрял в марсианской пустыне.
«Он копал яму все глубже и глубже», - сказал он. «Что, если бы они посмотрели, как эти грызуны путешествуют по пустыне? Эволюция несколько раз находила подходящее решение. До сих пор мы не оценили, насколько полезна эта система в этом контексте».