Это путешествие, инстинктивно повторяемое поколениями монархов, продолжается даже тогда, когда численность монархов резко упала из-за потери их единственного источника пищи для личинок — молочая. Но среди этих печальных новостей исследовательская группа считает, что они раскрыли секрет внутреннего, генетически закодированного компаса, который монархи используют для определения направления — юго-запад — они должны летать каждую осень.
«Их компас объединяет две части информации — время дня и положение солнца на горизонте — чтобы определить южное направление», — сказал Эли Шлизерман, доцент Вашингтонского университета.
Хотя природа способности бабочки-монарха интегрировать время дня и положение солнца в небе известна из предыдущих исследований, ученые никогда не понимали, как мозг монарха получает и обрабатывает эту информацию. Шлизерман, имеющий совместные должности на факультете прикладной математики и факультете электротехники, сотрудничал с коллегами из Мичиганского и Массачусетского университетов, чтобы смоделировать, как компас монарха устроен в его мозгу.
«Мы хотели понять, как монарх обрабатывает эти различные типы информации, чтобы добиться этого постоянного поведения — каждую осень летать на юго-запад», — сказал Шлизерман, ведущий автор недавней статьи команды в журнале Cell Reports.
Монархи используют свои большие сложные глаза, чтобы следить за положением солнца на небе.
Но положения солнца недостаточно, чтобы определить направление. Каждая бабочка также должна объединить эту информацию со временем дня, чтобы знать, куда идти. К счастью, как и большинство животных, включая людей, монархи обладают внутренними часами, основанными на ритмической экспрессии ключевых генов. Эти часы поддерживают ежедневный график физиологии и поведения.
У бабочки-монарха часы сосредоточены в антеннах, и их информация передается через нейроны в мозг.
Биологи ранее изучали ритмические узоры в антеннах монарха, которые управляют внутренними часами, а также то, как их сложные глаза определяют положение солнца в небе. Сотрудники Шлизермана, включая Стивена Репперта из Массачусетского университета, записывали сигналы от антенных нервов у монархов, когда они передавали информацию о часах в мозг, а также световую информацию от глаз.
«Мы создали модель, которая объединила эту информацию — как антенны и глаза отправляют эту информацию в мозг», — сказал Шлизерман. «Наша цель состояла в том, чтобы смоделировать, какой тип механизма управления будет работать в мозгу, а затем спросили, может ли наша модель гарантировать устойчивую навигацию в юго-западном направлении."
В их модели два нейронных механизма — один тормозящий и один возбуждающий — управляют сигналами от часовых генов в антеннах. В их модели была аналогичная система, позволяющая определять положение солнца по сигналам глаз. Баланс между этими механизмами управления поможет мозгу монарха понять, в каком направлении находится юго-запад.
На основе их модели также выясняется, что во время корректировки курса монархи не просто делают кратчайший поворот, чтобы вернуться на маршрут.
Их модель включает в себя уникальную особенность — точку разделения, которая будет определять, повернет ли монарх вправо или влево, чтобы направиться в юго-западном направлении.
«Расположение этой точки в поле зрения бабочки-монарха меняется в течение дня», — сказал Шлизерман. "И наша модель предсказывает, что монарх не пересечет эту точку, когда он изменит курс, чтобы вернуться на юго-запад."
Основываясь на их симуляциях, если монарх сбился с курса из-за порыва ветра или объекта на своем пути, он повернет в любом направлении, в котором ему не потребуется пересекать точку разделения.
Потребуются дополнительные исследования, чтобы подтвердить, согласуется ли модель исследователей с анатомией, физиологией и поведением мозга бабочки-монарха. Пока что такие аспекты их модели, как точка разделения, кажутся совместимыми с наблюдаемым поведением.
«В экспериментах с монархами в разное время дня вы действительно видите случаи, когда их повороты корректировки курса были необычно длинными, медленными или извилистыми», — сказал Шлизерман. "Это могут быть случаи, когда они не могут сделать более короткий поворот, потому что для этого потребуется пересечь точку разделения."
Их модель предлагает простое объяснение того, почему бабочки-монархи могут изменить курс весной и направиться на северо-восток обратно в Соединенные Штаты и Канаду. Четыре нейронных механизма, которые передают информацию о часах и положении солнца, просто должны изменить направление.
«И когда это происходит, их компас указывает на северо-восток, а не на юго-запад», — сказал Шлизерман. "Это простая и надежная система, объясняющая, как эти бабочки — поколение за поколением — совершают эту замечательную миграцию."