螳螂蝦如何回家利用路徑整合找到自己的洞穴？

螳螂蝦以其矯健的四肢、不可思議的畸形眼睛和生動(dòng)的外骨骼而聞名。而且，事實(shí)證明，他們也非常善于找到回家的路。通過對這些通常不合作的生物進(jìn)行一系列艱苦的實(shí)驗(yàn)，里基什帕特爾在螳螂蝦導(dǎo)航方面有了新的發(fā)現(xiàn)，并于本周在《當(dāng)代生物學(xué)》上發(fā)表。

UMBC生物科學(xué)的候選人帕特爾博士發(fā)現(xiàn)，他在螳螂蝦中研究的物種依賴于太陽，偏振光的模式和內(nèi)部線索(按此順序)可以直接導(dǎo)航回它難以形容的洞穴。這些線性回歸通常伴隨著蝦尋找食物或配偶時(shí)的曲折突襲。正如帕特爾在他的第一次野外考察中指出的那樣，當(dāng)在捕食者或感知到的捕食者面前尋求庇護(hù)時(shí)，快速回家的能力就派上了用場。

在UMBC的第一年后，帕特爾和湯姆克羅寧的實(shí)驗(yàn)室去了大堡礁的蜥蜴島收集螳螂蝦進(jìn)行研究。帕特爾說，“一旦他們注意到你，他們就會轉(zhuǎn)身直接拉向某種避難所。”就像一個(gè)真正的科學(xué)家，“這讓我想知道他們是如何找到回家的路的?！?

關(guān)鍵起點(diǎn)

科學(xué)家們寫了許多關(guān)于其他物種(主要是蜜蜂、螞蟻和老鼠)導(dǎo)航的文章，但帕特爾的研究是螳螂蝦導(dǎo)航的第一部作品。

首先，帕特爾必須找到一個(gè)可以一起使用的行為來測試他關(guān)于如何在螳螂蝦中航行的想法。因此，他創(chuàng)造了一個(gè)小競技場，把人工蝦洞埋在沙子里。他把蝦放在田里，讓他高興的是，螳螂蝦很樂意占據(jù)一小部分聚氯乙烯管道。然后他把食物放在離洞穴很遠(yuǎn)的地方。他看著蝦離開洞穴，蜿蜒直到找到食物，然后以相當(dāng)直線的方式回到洞穴。

基于這些初步觀察，帕特爾假設(shè)螳螂蝦使用一種叫做路徑整合的過程來尋找回家的路。換句話說，它們能以某種方式追蹤到離洞穴的距離和方向。

帕特爾說：“對我來說，這可能是實(shí)驗(yàn)中最令人興奮的部分，因?yàn)槲抑牢业男袨檎娴暮軓?qiáng)，我可以與之合作。“從一開始，我所做的一切實(shí)際上都被擴(kuò)大了。”

陽光驚喜

在第一次發(fā)現(xiàn)后，具有挑戰(zhàn)性的工作開始尋找動(dòng)物用來決定它們回家的線索。

帕特爾建造了八個(gè)更大的競技場，每個(gè)直徑約1.5米，用于實(shí)驗(yàn)。他問的第一個(gè)問題是蝦米是利用內(nèi)部還是外部線索回家的。

為了測試這一點(diǎn)，帕特爾創(chuàng)建了一個(gè)設(shè)置，在取回食物時(shí)將動(dòng)物旋轉(zhuǎn)180度。如果蝦利用外部線索記住它離家的距離和方向，它仍然會朝著正確的方向移動(dòng)。如果使用內(nèi)部提示，它會根據(jù)自己的方向朝相反的方向走。在第一輪實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)物總是向相反的方向移動(dòng)。

帕特爾說：“這真的很酷，但沒有太大意義，因?yàn)閮?nèi)部指南針的精度比與環(huán)境相關(guān)的精度低得多?！比缓笏蝗幌氲剑骸爱?dāng)我進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們碰巧有一個(gè)黑暗的一周，所以我一直等到天氣晴朗，每次他們回家。”

馬賽克拼圖

帕特爾意識到，他的實(shí)驗(yàn)完美地證明了動(dòng)物使用的線索的層次結(jié)構(gòu)。他們首先使用外部提示，但是當(dāng)這些提示不可用時(shí)，他們使用內(nèi)部提示。

這是一系列創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)的開始，這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測試了這些動(dòng)物如何導(dǎo)航。當(dāng)帕特爾用鏡子欺騙動(dòng)物，讓它們以為太陽是從相反的方向來的時(shí)，它們走錯(cuò)了路。這說明他們以太陽為主要線索。當(dāng)多云但不完全黑暗時(shí)，他們在光線中使用偏振模式，當(dāng)多云時(shí)仍然可以檢測到。當(dāng)天空完全被覆蓋時(shí)，他們恢復(fù)了內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)。

多種技能

對帕特爾來說，創(chuàng)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)競技場——本質(zhì)上是一個(gè)蝦障礙賽——幾乎和獲得結(jié)果一樣有趣。他分享道：“這才是我真正喜歡的——建造東西，創(chuàng)造東西?！迸撂貭栐陂L灘的加州州立大學(xué)學(xué)習(xí)藝術(shù)和生物學(xué)?！拔艺J(rèn)為這些技能幫助我設(shè)計(jì)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。”

帕特爾需要的其他技能是耐心和毅力。他說：“這些動(dòng)物可能一天只行動(dòng)一次，所以如果你嚇到動(dòng)物，那一天你就會迷路?！?

例如，其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)包括將動(dòng)物放在一個(gè)可以將它們拉到新位置的軌道上，并觀察它們從那里走向哪里。帕特爾說：“如果賽道太混亂或太快，他們會感到害怕，甚至表現(xiàn)不佳?！薄耙虼?，我不得不把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得非常柔軟，以至于他們沒有意識到自己被移動(dòng)了?！?

新問題

帕特爾的耐心獲得了新的發(fā)現(xiàn)，這提出了一系列未來需要回答的問題。雖然路徑整合已經(jīng)在其他物種中得到充分證明，但螳螂蝦是第一個(gè)在水下演示這項(xiàng)技術(shù)的人。通過水仰望天空和通過空氣仰望天空是完全不同的，所以帕特爾很好奇動(dòng)物的過程和其他物種有什么不同。

帕特爾最終也對導(dǎo)航行為的神經(jīng)基礎(chǔ)感興趣，但他說：“在研究大腦中發(fā)生的事情之前，必須先了解動(dòng)物的行為。”“所以這就是我真正專注于行為工作的原因，以弄清楚動(dòng)物在做什么以及什么樣的刺激適合顯示給我們該動(dòng)物用來研究其神經(jīng)病學(xué)。”

到目前為止，其他工作已經(jīng)證明，稱為中央復(fù)合體的大腦區(qū)域在昆蟲和螳螂蝦之間有著不可思議的相似性?？紤]到蜜蜂和蝦在生命樹上的距離有多遠(yuǎn)，這特別有趣。眾所周知，中央復(fù)合體有助于蜜蜂的航行，因此，帕特爾(Patel)對了解其在螳螂蝦中的功能感興趣。Cronin實(shí)驗(yàn)室的另一名研究生Alice Chou也正在研究螳螂蝦的大腦結(jié)構(gòu)。

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