Природната система за позициониране: как бръмбарите скарабеи се ориентират по Млечния път

От хиляди години хората гледат към звездите в търсене на навигация. Но кой би предположил, че обикновеният бръмбар скарабей доказано използва небесните ориентири?

Учените с изненада откриват, че това същество, известно с ежедневната си рутинна борба за оцеляване, използва Млечния път като небесен компас. Това откритие не само разгада мистерията на навигацията на насекомото, но и се превърна в прототип за създаването на високоточни сензори с изкуствен интелект, които да изпълняват функциите за позициониране на превозните средства, работещи в условия на минимална осветеност.

Жизнено необходимата навигация чрез звезден компас

Бръмбарите скарабеи (Scarabaeus satyrus), или торните бръмбари, са едни от най-трудолюбивите насекоми. Тяхното оцеляване зависи в голяма степен от това колко бързо и точно могат да изтъркалят своята топка тор от мястото, където се е образувала.

Кълбото от тор служи за две основни цели на скарабея: първо, то е източник на храна за възрастния индивид, и второ, което е по-важно, то става място за чифтосване и храна за потомството. Женската снася яйцата си в това кълбо, а оцеляването на следващото поколение зависи от неговия размер и безопасност.

Тази задача формира същността на ежедневната им борба за оцеляване, която започва с ожесточена конкуренция за ресурса в торовата купчина и продължава с евакуация на ценните запаси. Ако едно насекомо изгуби ориентация и започне да кръжи, то почти гарантирано ще се сблъска с конкуренти, които ще се опитат да му отнемат топчето.

През светлата част на денонощието скарабеите отдавна са се утвърдили като опитни навигатори, използващи слънцето и неговата поляризирана светлина. Години наред обаче ентомолозите не можеха да разберат как тези същества поддържат същия прав курс в безлунните нощи, когато липсват земни и лунни ориентири.

Фундаментално откритие в разгадаването на тази загадка бе направено през 2013 г. Международен екип от биолози от Университета в Лунд (Швеция) провежда серия от пионерски експерименти.

В проучването, чиито резултати са публикувани в списание Current Biology, учените поставят бръмбари в планетариум в Йоханесбург, в който са моделирани различни сценарии на звездното небе. Оборудването на планетариума позволява на изследователите да контролират изцяло осветлението и да премахнат всички земни забележителности, принуждавайки насекомите да разчитат единствено на симулираните небесни сигнали.

Учените установили, че при ясни нощни условия без луна скарабеите поддържали идеално прав курс, но когато се използвало симулирано облачно небе, насекомите веднага започвали да кръжат хаотично. Най-поразителното откритие е, че бръмбарите се ориентират успешно дори когато върху купола се прожектира само разсеяна ивица от Млечния път, като отделните ярки звезди се премахват. Този факт превръща скарабеите в първото документирано насекомо, което използва разположението на звездите като компас.

Тайните на звездното позициониране в скарабея

Способността на насекомото, чийто мозък е с размери, сравними с тези на оризово зърно, да „чете“ нощното небе повдигна основателен въпрос за механизма на този процес. Екип от университета в Лунд скоро проведе ново изследване, за да опише подробно стратегията на скарабея.

През 2016 г. в списание Current Biology същите изследователи, сред които и Базил ел Джунди (Basil el Jundi), разкриха механизма за калибриране на небесния компас на скарабея. Учените установили, че преди да започне да се движи, бръмбарът изпълнява така наречения „ориентационен танц“: той се качва на топчето си и няколко пъти се завърта около оста му.

По време на този „танц“ скарабеят запомня визуалната панорама на звездното небе и определя своя курс. Тази визуална „отливка“ служи като кратковременен компас, който насекомото използва, за да поддържа прав курс. Ако бръмбарът се отклони от курса поради препятствия, той бързо повтаря танца, за да се „пренастрои“.

През 2017 г. в списание Philosophical Transactions of the Royal Society B учените изясниха какъв точно сигнал получава скарабеят от Млечния път. За тези насекоми Млечният път не е сложен модел от милиони отдалечени точки. Вместо това те се ориентират по контраста и градиента на яркостта – т.е. по широка, по-ярка ивица светлина на фона на по-слабо осветено небе.

Фасетните очи на скарабея имат структура на суперпозиция. Тази структура позволява да се комбинира светлината от няколко оматидии (отделни елементи на окото) и ги прави най-чувствителни към светлината от синия и ултравиолетовияспектър, което им позволява да възприемат само общия градиент на яркостта на нощното небе.

Този „общ градиент на светлината“ е резултат от ниската разделителна способност на очите на бръмбара, които възприемат милиардите звезди като един-единствен, размазан светлинен сигнал, който бръмбарът може да използва, за да поддържа правилния курс.

Технологични приложения: Биомиметиката

Откриването на навигационната система на скарабея има практическо значение за инженерството и роботиката, като внася нова насока във вече съществуващата област на биомиметиката (създаване на технологии, вдъхновени от природата).

Ярък пример за този подход към навигацията е проект, публично обявен от австралийски инженери от Университета на Южна Австралия през 2024 г. Те работят върху разработването на сензор за изкуствен интелект, моделиран по навигацията на торния бръмбар. Целта на тази разработка е да се създаде миниатюрен, високочувствителен сензор, който може точно да определя ориентацията в пространството, като използва само разсеяната светлина от небето или Млечния път.

Навигационните системи, които имитират принципа на скарабея, имат няколко ключови предимства: те не зависят от външни GPS сигнали, консумират минимално количество енергия и могат да бъдат интегрирани в микроскопични устройства. Именно простотата и ефикасността на принципа на навигационната система на бръмбара скарабей позволява разработването на надеждни автономни сензори, способни да работят в среда, в която радиосигналите са блокирани (например в затворени пространства) или оптичните сензори не могат да се справят със силно затъмнение.

Значение и заключения

Бръмбарът скарабей, който е бил издигнат в свещен символ от древните египтяни, сега се е превърнал в обект на интерес за съвременната наука. Откриването на астрономическите му способности е крайъгълен камък, който показва колко ефективни могат да бъдат навигационните системи дори при малките насекоми.

Скарабеят, използвайки най-простото възприемане на контраста, решава един от най-трудните проблеми – автономното ориентиране през нощта.

Изучаването на този естествен начин на позициониране позволява на инженерите да преодолеят ограниченията на сегашните навигационни системи, проправяйки пътя към по-надеждни, автономни и енергийно ефективни устройства, направлявани от светлината на далечните звезди.