Дэвид Барри - Супернавигаторы. О чудесах навигации в животном мире

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 [109] Wehner, R., Räber, F. (1979). ‘Visual spatial memory in desert ants, Cataglyphis bicolor (Hymenoptera: Formicidae)’, Experientia, 35. P. 1569–1571; Cartwright, B. A., Collett, T. S. (1983). ‘Landmark learning in bees: experiments and models,’ Journal of Comparative Physiology A, 151. P. 521–543; Möller, R., Vardy, A. (2006). ‘Local visual homing by matched-filter descent in image distances’, Biological Cybernetics, 95. P. 413–430; Zeil, J., Hofmann, M. I., Chahl, J. S. (2003). ‘The catchment areas of panoramic snapshots in outdoor scenes’, Journal of the Optical Society of America A, 20. P. 450–469. .

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 [110] Lambrinos, D., Möller, R., Labhart, T., Pfeifer, R., Wehner, R. (2000). ‘A mobile robot employing insect strategies for navigation’, Robot and Autonomous Systems, 30. P. 39–64. . 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 [111] Fleischmann, P. N., Grob, R., Müller, V. L., Wehner, R., & Rössler, W. (2018). ‘The geomagnetic field is a compass cue in cataglyphis ant navigation’, Current Biology. . 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 [112] Shi, N. N., Tsai, C. C., Camino, F., Bernard, G. D., Yu, N., & Wehner, R. (2015). «Keeping Cool: enhanced optical reflection and heat dissipation in silver ants», Science, aab3564. . 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» [113] Darwin, C., The Descent of Man, op. cit., pt I. P. 54. . 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» [114] Heinze, S. (2015). ‘Neuroethology: unweaving the senses of direction’, Current Biology, 25 (21), R 1034–R 1037. . 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 [115] См., например, Weber, K., Venkatesh, S., & Srinivasan, M. V. (1996, August). ‘Insect inspired behaviours for the autonomous control of mobile robots’, in International Conference on Pattern Recognition, Proceedings, 1996. P. 156, IEEE; Weber, K., Venkatesh, S., & Srinivasan, M. V. (1998, August). ‘An insect-based approach to robotic homing’, in Fourteenth International Conference on Pattern Recognition, 1998, Proceedings, vol. 1. P. 297–299, IEEE; Expert, F., Viollet, S., & Ruffier, F. (2011). ‘Outdoor field performances of insect-based visual motion sensors’, Journal of Field Robotics, 28 (4). P. 529–541; Graham, P., & Philippides, A. (2014). ‘Insect-Inspired Visual Systems and Visually Guided Behavior’, Encyclopedia of Nanotechnology. P. 1–9. .