«Мы разработали метод измерения непредсказуемости перемещений животных в трехмерном пространстве и использовали его для изучения перемещений, связанных с побегами, у нескольких видов пустынных грызунов», — сказала биолог-эволюционист Мичиганского университета Талия Мур.Она работала с междисциплинарной группой исследователей, включая биологов из Гарвардского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего, а также инженера-механика из Университета штата Вашингтон.
Выводы команды, которые планируется опубликовать 5 сентября в журнале Nature Communications, могут помочь инженерам создавать биомиметических роботов, адаптированных к конкретным условиям. Результаты также предполагают, что двуногие грызуны, возможно, эволюционировали, чтобы ограничить межвидовую конкуренцию и увеличить разнообразие животных.Мур, научный сотрудник отделения экологии и эволюционной биологии Университета Мур, обнаружил, что превосходная уклончивость тушканчика обусловлена его уникальной походкой. Хотя двуногие животные неоднократно развивались у разных типов грызунов, в том числе у кенгуровых крыс и австралийских прыгающих мышей, тушканчики — единственная группа, которая, как было замечено, использовала три разных типа шагов или походок при движении на своих длинных задних лапах: прыжки, прыжки и Бег.
В то время как предыдущие наблюдения предполагали, что тушканчики прыгают с минимальной скоростью, прыгают с промежуточной скоростью и бегают с максимальной скоростью, команда Мура не обнаружила значительной разницы между средней скоростью каждого шага.Посредством серии лабораторных экспериментов Мур и ее коллеги показали, что тушканчики передвигаются с пошаговыми изменениями походки, что вызывает частые изменения длины, направления и скорости шага. Их маневры уклонения могут включать кратковременные всплески ускорения, прыжки, похожие на кенгуру, беспорядочные зигзаги и акробатические прыжки.
Мур и ее коллеги подозревали, что эти рывки помогают тушканчикам помешать попыткам воздушного хищника рассчитать курс перехвата. Поскольку они хотели увидеть, как эти животные ведут себя в своей естественной среде обитания, они отправились в северо-западный Китай и разработали новую серию полевых экспериментов, чтобы изучить, спасаются ли четвероногие, похожие на песчанок косы и двуногие тушканчики от хищников разными способами.
Большая часть того, что известно о передвижениях животных, было извлечено из исследований на беговой дорожке, включающих прямолинейное движение с почти постоянной скоростью в течение длительных периодов времени — предсказуемую походку. Поскольку тушканчики могут прыгать более чем на полметра (более чем в 10 раз их высота бедра) и всегда меняют направление, Мур и ее коллегам пришлось разработать способ измерения непредсказуемости в трех измерениях.Они позаимствовали показатель случайности, называемый энтропией, из теории информации и использовали его для измерения непредсказуемости грызунов, когда тушканчики и джирды избегали симулированного хищничества.
Это первый количественный метод для характеристики передвижения земных тел в трехмерном пространстве.«Мы обнаружили, что двуногие тушканчики были гораздо более непредсказуемыми, чем четвероногие джирды», — сказал Мур. «Эта повышенная непредсказуемость, вероятно, возникает из-за их уникальной походки и дает им преимущество в эволюционной гонке вооружений между хищником и жертвой».
Чтобы проверить, действительно ли непредсказуемость тушканчика соответствует увеличению успеха в уклонении от хищников, исследователи провели поведенческие эксперименты, в ходе которых измерили склонность животных искать убежище, что называется тигмотаксисом.Мелкие кормовые животные, восприимчивые к хищникам, сталкиваются с конфликтом между необходимостью исследовать новые районы в поисках пищи и желанием оставаться в закрытых районах, в безопасности от хищников.
Из-за этого конфликта количество времени, которое животное проводит на открытой местности, зависит от его способности уклоняться от хищников: по мере увеличения уклонения снижается поведенческая близость к убежищу и так называемая «тревожность открытого поля».Исследователи измерили тигмотаксис грызунов, чтобы проверить предсказание о том, что двуногие тушканчики связаны с уменьшением тревожности в открытом поле, что дополнительно подтвердило их гипотезу о том, что двуногие увеличивает способность уклоняться от хищников.
Во время экспериментов по моделированию хищничества Мур и ее коллеги заметили, что двуногие тушканчики исследовали весь экспериментальный вольер, в то время как джирды, как правило, оставались вблизи обнесенной стеной периферии. Она провела второй эксперимент в лаборатории с выращенными в неволе животными, которые никогда раньше не видели хищников. Результаты обоих экспериментов предполагают, что двуногие грызуны связаны с более низким тигмотаксисом и большим уклонением от хищников в открытых условиях.Методы, изобретенные в этом исследовании, помогают вывести количественную биомеханику из лаборатории, где животных исследуют в искусственных средах, и в полевых условиях, где животные реагируют на жизненно важные ситуации.
Результаты показывают, что понимание эволюции морфологии, передвижения и поведения может помочь биологам понять экологическую структуру сообществ животных.Кроме того, результаты могут найти применение в области робототехники. Большая часть работы по перемещению роботов связана с плавным и предсказуемым движением в условиях низкой изменчивости.
Включение непредсказуемого и изменчивого движения должно улучшить производительность роботов, имитирующих живые организмы и путешествующих по одной и той же местности.«Эта работа указывает на новый способ создания робота, который может быть полезен при навигации в пустынных средах или пустынных планетах», — сказал Рам Васудеван, доцент кафедры машиностроения и соавтор статьи Nature Communications. «Мы хотим попробовать и построить роботов, способных успешно развиваться в самых разных средах».Он вспомнил, как колесный марсоход НАСА Curiosity застрял в марсианской пустыне.
«Он вырыл все более и более глубокую яму», — сказал он. «Что, если бы они взглянули на то, как эти грызуны путешествуют по пустыне? Эволюция несколько раз нашла подходящее решение.
До сих пор мы не оценили, насколько полезна эта система в данном контексте».