Муравьиный одометр

Предположение о том, что муравьи, возможно, умеют измерять расстояния путем подсчета шагов, так же как штурманы ГДРП использовали одометры своих грузовиков (подсчитывавшие число оборотов колес), чтобы определить, как далеко они уехали, было высказано еще в 1904 году. Гипотеза казалась интересной, но никто не мог ее проверить, пока одному из учеников Венера, Матиасу Виттлингеру, не пришла в голову блестящая идея физически изменить длину шага муравьев и он не придумал практически осуществимый, хотя и жестокий способ это сделать.

Сначала Виттлингер приучил обычных муравьев ходить к кормушке, расположенной в десяти метрах от их гнезда, и обратно. Затем он перенес их в установленный в том же месте тестовый желоб с высокими стенками, не позволявшими им видеть какие-либо ориентиры, которые выдали бы расположение гнезда. Поместив муравьев в ближний к кормушке конец желоба, он измерил расстояние, которое они проходили по направлению к дому, прежде чем начинали искать гнездо. А затем эти обученные муравьи подверглись операции, которую стыдливо назвали «экспериментальной обработкой».

Виттлингер либо прикреплял к их ногам ходули, сделанные из свиных щетинок, тем самым увеличивая длину их шага, либо укорачивал их ноги, что давало противоположный результат. По-видимому, муравьи переносили эту безжалостную процедуру с поразительным хладнокровием. Затем всех муравьев – и поставленных на ходули, и ампутантов – выпускали в тестовый желоб с дальнего его конца. Виттлингер хотел проверить, как изменение длины ног повлияет на расстояние, которые муравьи проходят до начала поисков гнезда. Результаты оказались поразительными: муравьи на ходулях уходили далеко за место расположения гнезда, а передвигавшиеся на культях, напротив, не доходили до него. Как и предсказывала теория, муравьи на ходулях, по-видимому, переоценивали расстояние до гнезда, а ампутанты ошибались в обратную сторону.

Но этим дело не закончилось. Потом Виттлингер позволил «обработанным» муравьям самостоятельно пройти от гнезда до кормушки, соответственно, удлиненными или укороченными шагами. В этом случае они вели себя почти точно так же, как нормальные муравьи, и правильно оценивали местоположение гнезда. Это было логично, потому что путь от гнезда до кормушки и обратный путь занимали одно и то же число шагов, будь то на удлиненных или на укороченных ногах.

При помощи солнечного компаса и одометра муравей-бегунок может найти прямой путь к отправной точке своего путешествия, то есть к гнезду. Более того, он способен найти этот путь независимо от того, каким запутанным был его маршрут от дома. Превосходный пример действия счисления пути. Однако, как и счисление пути, применяемое человеком, муравьиная система несовершенна. В ней накапливаются ошибки, и, поскольку Cataglyphis могут уходить за сотни метров от своего гнезда, суммарная величина этих ошибок может становиться значительной.

Чтобы выяснить, как муравьи справляются с этим недостатком, Венер установил по обе стороны от муравьиного гнезда, на равном расстоянии от него, два черных цилиндра. Муравьи вскоре научились использовать эти заметные ориентиры для обнаружения своего дома. Однако было неясно, на какие именно характеристики цилиндров муравьи обращали внимание. Возможно, они определяли местоположение гнезда, измеряя его удаление от двух цилиндров, а может быть, они определяли углы между цилиндрами и гнездом, то есть использовали своего рода метод триангуляции. Тогда Венер и его коллеги перенесли муравьев на опытную площадку, расположенную на большом расстоянии от их настоящего дома, и воссоздали там ту же конфигурацию, но с некоторыми изменениями.

Когда исследователи удвоили расстояние между цилиндрами (не изменяя их размеров), муравьи не стали, как можно было бы ожидать, искать гнездо посередине между ними. Вместо этого они скапливались вблизи одного или другого цилиндра. Но когда размеры цилиндров тоже увеличили в два раза, муравьи повели себя совсем по-другому: теперь они стремились к точке, расположенной посередине между ними.

Венер заключил, что муравьи ищут положение, из которого цилиндры выглядят так же, как они выглядели на первом, обучающем этапе эксперимента. Перемещенные муравьи искали свое гнездо, пытаясь совместить двумерный «снимок» исходной конфигурации с тем, что они видели теперь. Поэтому они бегали взад и вперед, пока им не удалось добиться наилучшего совпадения заученного «шаблона» с изображением цилиндров, которое регистрировали их сложные фасеточные глаза.

Как мы помним, потовые пчелы Уоррента, отправляясь в свои экспедиции, разворачивались и смотрели на свое гнездо с разных сторон. Муравьи-бегунки делают нечто очень похожее. Они совершают «тренировочные прогулки», во время которых они ходят вокруг своего гнезда постепенно расширяющимися кругами. Время от времени они ненадолго останавливаются и смотрят в сторону почти невидимого входа в гнездо. Таким образом они запоминают виды, открывающиеся с разных точек.

Возвращаясь после поисков пищи, они вспоминают эти изображения и используют их, чтобы найти обратную дорогу. Такая система сопоставления изображений не требует от муравья понимания геометрических взаимосвязей между ориентирами. В этом отношении муравей отличается от медоносной пчелы, которая, как это ни удивительно, способна запомнить положение нескольких ориентиров относительно источника пищи, так же как запоминает его североамериканская ореховка.

На основе этих результатов Венеру и его коллегам удалось даже запрограммировать движущегося робота, в котором были воспроизведены компас на основе поляризованного солнечного света и система распознавания ориентиров, используемые муравьями. Эта машина, получившая игривое название «сахабот» (сокращение от «сахарского робота»), может выполнять те же самые маневры, что и настоящий муравей. Кроме того, исследователи открыли множество других аспектов навигационного инструментария муравья, в том числе его способность использовать в качестве дополнительных подсказок при поисках цели направление ветра, вибрацию и запахи. При определении пройденного расстояния муравьи умеют даже учитывать волнистую форму поверхности, по которой они перемещаются. А по последним сведениям оказывается, что эти удивительные животные также способны ориентироваться, используя магнитное поле Земли. Их талантам, кажется, нет конца.

Муравей-бегунок живет в чрезвычайно суровых условиях и часто сталкивается с такими высокими температурами, что лишь в течение короткого времени может находиться на открытом воздухе. Поэтому у него есть длинные ноги, которые удерживают его тело подальше от земли, а также позволяют ему очень быстро бегать: Венер удачно назвал этого муравья «скаковой лошадью мира насекомых». Один из видов даже имеет особой формы волоски на теле, которые помогают регулировать температуру тела. Способность находить кратчайший путь к гнезду, в котором муравей оказывается в безопасности, – это не просто вопрос экономии ресурсов; от нее зависит сама жизнь муравья.

На Дарвина произвели глубокое впечатление «удивительно разнообразные инстинкты, умственные способности и страсти муравьев»; он писал, что центральная нервная система муравья – «один из самых удивительных комплексов вещественных атомов, может быть, удивительнее, чем мозг человека». Он, несомненно, счел бы сообщения об открытиях Венера восхитительными – и чрезвычайно интересными.

Как пишет Стенли Хайнце, нейробиолог, изучающий навигацию у насекомых в Университете Лунда, «одна из основных функций любого мозга заключается в получении информации от органов чувств, ее использовании для формирования оценки текущего состояния мира и сравнения его с желательным состоянием мира. Если эти два состояния не совпадают, предпринимаются компенсаторные действия, которые мы и называем поведением». Это описание применимо к насекомым в той же мере, что и к более сложным животным, например человеку.

По сравнению с птицами и млекопитающими у насекомых совсем крошечный мозг. Если мозг человека содержит около 85 миллиардов нейронов, у муравья-бегунка их всего около 400 000. Но хотя их мозг мал и далеко не столь многофункционален, как у нас, он превосходно приспособлен к тому ограниченному набору операций, который ему приходится выполнять. Хотя большей частью их поведением управляют «аппаратные» нейронные сети мозга, муравьи и пчелы (и другие насекомые) могут, как мы видели, учиться на опыте и формировать потрясающе разнообразный репертуар навигационного поведения. Неудивительно, что разработчики роботов и беспилотных транспортных средств то и дело заимствуют идеи именно у них.

В головном мозге самых разных насекомых, например муравьев-бегунков, мушек-дрозофил, мотыльков, пчел, саранчи и тараканов, имеются два образования, которые, по-видимому, играют очень важную роль в навигации. Грибовидные тела связаны с хранением долговременных воспоминаний, основанных на обонятельных и зрительных ощущениях, а центральный комплекс определяет маршрут, которым следует насекомое, часто с использованием поляризационных узоров солнечного света. Поскольку эти образования встречаются так широко, предполагается, что они могли возникнуть на очень ранних стадиях эволюционного процесса. Как именно животное выбирает, в какую сторону двигаться, и инициирует соответствующие движения, пока остается тайной, но в этом процессе, по-видимому, играет ключевую роль взаимодействие между грибовидными телами и центральным комплексом.

* * *

Живущие в Юго-Восточной Азии и Автралазии гребнистые крокодилы  – самые крупные в мире рептилии. Кроме того, они имеют неприятную привычку есть зазевавшихся людей. На вид они кажутся очень малоподвижными, но на самом деле на короткие расстояния они способны передвигаться весьма быстро, а в более спокойном темпе могут преодолевать сотни километров.

В 2007 году было опубликовано интереснейшее исследование, показавшее, что они к тому же замечательно хорошо умеют находить дорогу домой. Были пойманы три взрослых самца, к которым прикрепили спутниковые трекеры. Затем их перевезли в сетках, подвешенных к вертолету, в разные точки выпуска на полуострове Кейп-Йорк в австралийском штате Квинсленд. Через некоторое время, в течение которого они, по-видимому, обдумывали свои дальнейшие действия, все три крокодила отправились в путь и вернулись в точности в те же места, где были пойманы.

Один из крокодилов проплыл вдоль берега 99 километров за 15 суток; другой преодолел 52 километра всего за пять суток. Их результаты были весьма впечатляющими, но меркли по сравнению с тем, что проделал третий крокодил. Его отвезли за полуостров Кейп-Йорк, с западной стороны на восточную, на расстояние 126 километров, если измерять его по прямой, то есть по суше. Крокодил, разумеется, не мог вернуться тем же путем, но и ему тоже удалось попасть домой: он проплыл вокруг северной оконечности полуострова и вернулся на юг вдоль его противоположного берега. Расстояние 411 километров он преодолел всего за 20 суток.

Хотя никто не знает, как именно эти животные нашли дорогу к дому, из этого эксперимента можно извлечь ценный практический урок: «переселение» крокодилов, представляющих опасность для людей, очевидно, не имеет большого смысла.