Навозные астрономы

Жуки-навозники из рода Scarabaeus существуют в условиях жёсткой конкуренции за пищу. Самцы формируют из помёта крупных млекопитающих шары, масса которых нередко превышает массу тела насекомого в пятьдесят раз, после чего откатывают добычу от места обнаружения. Сородичи-воры регулярно нападают на катателей, пытаясь отобрать готовые шары, поэтому эволюция благоприятствовала выработке стратегий максимально быстрого и прямолинейного бегства от скопления конкурентов. Однако двигаться по прямой без внешних ориентиров невозможно: ни живые организмы, ни машины не способны поддерживать заданный курс, полагаясь исключительно на внутренние сигналы тела — неизбежно накапливается ошибка, и траектория искривляется. Следовательно, жуки должны использовать какие-то внешние ориентиры, и учёных давно интересовало, какие именно.

Дневные виды жуков-навозников, как выяснилось, используют положение солнца и картину поляризации небосвода; сумеречные — луну и поляризованный лунный свет. Африканский вид Scarabaeus zambesianus стал первым насекомым, у которого экспериментально подтверждено использование поляризованного лунного света — сигнала в миллион раз более слабого, чем солнечный. Но что происходит в безлунные ночи? Исследовательская группа Эрика Уорранта из Лундского университета обнаружила, что ночной вид Scarabaeus satyrus сохраняет прямолинейную траекторию даже тогда, когда луны на небе нет, — но только при ясной погоде. Это означало, что жуки пользуются каким-то иным небесным ориентиром, видимым лишь в отсутствие облаков.

Гипотезу о звёздной навигации проверили в Йоханнесбургском планетарии. Жуков помещали в круглую ёмкость с зачернёнными стенками, исключавшими наземные ориентиры, а купол воспроизводил различные варианты ночного неба. Анализ траекторий показал, что насекомые удерживают курс под полным звёздным небом и при демонстрации одной лишь полосы Млечного Пути примерно одинаково хорошо. Напротив, когда на куполе проецировались восемнадцать ярчайших звёзд без галактической дуги, время пересечения арены увеличивалось более чем наполовину. Вывод оказался неожиданным: жуки ориентируются не по отдельным светилам, а по протяжённому градиенту яркости вдоль плоскости Галактики — то есть по Млечному Пути как целому.

Это открытие стало первым подтверждением использования Млечного Пути в качестве ориентира каким-либо животным и первым убедительным доказательством звёздной навигации у насекомых. Ранее было известно, что птицы, тюлени и человек способны ориентироваться по звёздам, однако все они полагаются на распознавание созвездий — характерных конфигураций отдельных светил. Стратегия сравнения яркости разных участков галактической полосы прежде не была описана ни у одного биологического вида.

Почему жуки избрали именно такой способ? Ответ кроется в строении их глаз. Размер сложных глаз и диаметр отдельных фасеток у ночного S. satyrus заметно превышают соответствующие показатели сумеречного S. zambesianus и дневного Kheper lamarcki. Крупные оптические элементы собирают больше света — критически важное преимущество на пределе чувствительности зрения. Однако разрешающая способность фасеточного глаза всё равно недостаточна, чтобы различать одиночные звёзды, тогда как суммарная яркость галактической дуги создаёт отчётливый контраст на фоне остального неба. Экспериментально установленный порог контрастной чувствительности составляет около тринадцати процентов — этого хватает, чтобы отличить более яркий южный участок Млечного Пути от северного и тем самым определить направление.

Но как именно жук «запоминает» нужный курс? Перед началом качения шара насекомые выполняют характерный ритуал: жук взбирается на вершину сферы, вращается вокруг вертикальной оси с короткими паузами, затем спускается и приступает к движению. Вероятность «танца» резко возрастает после столкновения с препятствием, принудительного изменения направления или экспериментального смещения небесных ориентиров. Учёные полагают, что во время ориентационного манёвра жук делает своеобразный «моментальный снимок» неба, фиксируя взаимное расположение солнца, луны и звёздной полосы, — а затем сверяется с этим снимком на протяжении всего пути.

Интересно, что у «танца» на шаре обнаружилась и вторая, совершенно иная функция. Инфракрасная съёмка показала, что температура поверхности влажного навоза заметно ниже температуры окружающей почвы благодаря испарению воды. Оказалось, что контакт передних лапок с охлаждённой поверхностью шара помогает жуку отводить избыточное тепло в жаркий день. Когда исследователи блокировали теплообмен силиконовыми накладками на лапки, частота подъёмов на шар снижалась на треть, а продолжительность непрерывного качения удваивалась — жуки перегревались медленнее и реже нуждались в охлаждении.

В 2013 году авторский коллектив — Мари Даке, Эмили Бэрд, Маркус Бёрн, Кларк Шольц и Эрик Уоррант — получил Игнобелевскую премию в номинациях «биология» и «астрономия» за открытие галактической ориентации у жуков-навозников. Несмотря на шуточный характер награды, результаты исследования важны как для понимания механизмов пространственной ориентации, так и для разработки систем машинного зрения, вдохновлённых биологическими прототипами.

Есть у открытия и тревожная сторона. Световое загрязнение от городов и дорог снижает контрастность Млечного Пути и способно нарушать навигацию ночных насекомых подобно естественной облачности. Поскольку жуки-навозники играют ключевую роль в переработке органических отходов и рыхлении почвы, деградация ночного неба представляет потенциальную угрозу экосистемам саванн и пастбищ — и заставляет по-новому взглянуть на проблему светового загрязнения.

По материалам:
https://www.researchgate.net/publication/235374810_Dung_Beetles_Use_the_Milky_Way_for_Orientation и производных научно-популярных статей из Science (AAAS), National Geographic, The Conversation, EarthSky.