螳螂蝦如何回家利用路徑整合找到自己的洞穴？

螳螂蝦以其矯健的四肢、不可思議的畸形眼睛和生動的外骨骼而聞名。而且，事實證明，他們也非常善于找到回家的路。通過對這些通常不合作的生物進(jìn)行一系列艱苦的實驗，里基什帕特爾在螳螂蝦導(dǎo)航方面有了新的發(fā)現(xiàn)，并于本周在《當(dāng)代生物學(xué)》上發(fā)表。

UMBC生物科學(xué)的候選人帕特爾博士發(fā)現(xiàn)，他在螳螂蝦中研究的物種依賴于太陽，偏振光的模式和內(nèi)部線索(按此順序)可以直接導(dǎo)航回它難以形容的洞穴。這些線性回歸通常伴隨著蝦尋找食物或配偶時的曲折突襲。正如帕特爾在他的第一次野外考察中指出的那樣，當(dāng)在捕食者或感知到的捕食者面前尋求庇護(hù)時，快速回家的能力就派上了用場。

在UMBC的第一年后，帕特爾和湯姆克羅寧的實驗室去了大堡礁的蜥蜴島收集螳螂蝦進(jìn)行研究。帕特爾說，“一旦他們注意到你，他們就會轉(zhuǎn)身直接拉向某種避難所?！本拖褚粋€真正的科學(xué)家，“這讓我想知道他們是如何找到回家的路的?！?

關(guān)鍵起點

科學(xué)家們寫了許多關(guān)于其他物種(主要是蜜蜂、螞蟻和老鼠)導(dǎo)航的文章，但帕特爾的研究是螳螂蝦導(dǎo)航的第一部作品。

首先，帕特爾必須找到一個可以一起使用的行為來測試他關(guān)于如何在螳螂蝦中航行的想法。因此，他創(chuàng)造了一個小競技場，把人工蝦洞埋在沙子里。他把蝦放在田里，讓他高興的是，螳螂蝦很樂意占據(jù)一小部分聚氯乙烯管道。然后他把食物放在離洞穴很遠(yuǎn)的地方。他看著蝦離開洞穴，蜿蜒直到找到食物，然后以相當(dāng)直線的方式回到洞穴。

基于這些初步觀察，帕特爾假設(shè)螳螂蝦使用一種叫做路徑整合的過程來尋找回家的路。換句話說，它們能以某種方式追蹤到離洞穴的距離和方向。

帕特爾說：“對我來說，這可能是實驗中最令人興奮的部分，因為我知道我的行為真的很強，我可以與之合作。“從一開始，我所做的一切實際上都被擴大了。”

陽光驚喜

在第一次發(fā)現(xiàn)后，具有挑戰(zhàn)性的工作開始尋找動物用來決定它們回家的線索。

帕特爾建造了八個更大的競技場，每個直徑約1.5米，用于實驗。他問的第一個問題是蝦米是利用內(nèi)部還是外部線索回家的。

為了測試這一點，帕特爾創(chuàng)建了一個設(shè)置，在取回食物時將動物旋轉(zhuǎn)180度。如果蝦利用外部線索記住它離家的距離和方向，它仍然會朝著正確的方向移動。如果使用內(nèi)部提示，它會根據(jù)自己的方向朝相反的方向走。在第一輪實驗中，動物總是向相反的方向移動。

帕特爾說：“這真的很酷，但沒有太大意義，因為內(nèi)部指南針的精度比與環(huán)境相關(guān)的精度低得多。”然后他突然想到：“當(dāng)我進(jìn)行這些實驗時，我們碰巧有一個黑暗的一周，所以我一直等到天氣晴朗，每次他們回家。”

馬賽克拼圖

帕特爾意識到，他的實驗完美地證明了動物使用的線索的層次結(jié)構(gòu)。他們首先使用外部提示，但是當(dāng)這些提示不可用時，他們使用內(nèi)部提示。

這是一系列創(chuàng)造性實驗的開始，這些實驗進(jìn)一步測試了這些動物如何導(dǎo)航。當(dāng)帕特爾用鏡子欺騙動物，讓它們以為太陽是從相反的方向來的時，它們走錯了路。這說明他們以太陽為主要線索。當(dāng)多云但不完全黑暗時，他們在光線中使用偏振模式，當(dāng)多云時仍然可以檢測到。當(dāng)天空完全被覆蓋時，他們恢復(fù)了內(nèi)部導(dǎo)航系統(tǒng)。

多種技能

對帕特爾來說，創(chuàng)建一個實驗競技場——本質(zhì)上是一個蝦障礙賽——幾乎和獲得結(jié)果一樣有趣。他分享道：“這才是我真正喜歡的——建造東西，創(chuàng)造東西?！迸撂貭栐陂L灘的加州州立大學(xué)學(xué)習(xí)藝術(shù)和生物學(xué)?！拔艺J(rèn)為這些技能幫助我設(shè)計了這個實驗?！?

帕特爾需要的其他技能是耐心和毅力。他說：“這些動物可能一天只行動一次，所以如果你嚇到動物，那一天你就會迷路。”

例如，其中一個實驗包括將動物放在一個可以將它們拉到新位置的軌道上，并觀察它們從那里走向哪里。帕特爾說：“如果賽道太混亂或太快，他們會感到害怕，甚至表現(xiàn)不佳?！薄耙虼?，我不得不把實驗設(shè)計得非常柔軟，以至于他們沒有意識到自己被移動了?！?

新問題

帕特爾的耐心獲得了新的發(fā)現(xiàn)，這提出了一系列未來需要回答的問題。雖然路徑整合已經(jīng)在其他物種中得到充分證明，但螳螂蝦是第一個在水下演示這項技術(shù)的人。通過水仰望天空和通過空氣仰望天空是完全不同的，所以帕特爾很好奇動物的過程和其他物種有什么不同。

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帕特爾最終也對導(dǎo)航行為的神經(jīng)基礎(chǔ)感興趣，但他說：“在研究大腦中發(fā)生的事情之前，必須先了解動物的行為。”“所以這就是我真正專注于行為工作的原因，以弄清楚動物在做什么以及什么樣的刺激適合顯示給我們該動物用來研究其神經(jīng)病學(xué)。”

到目前為止，其他工作已經(jīng)證明，稱為中央復(fù)合體的大腦區(qū)域在昆蟲和螳螂蝦之間有著不可思議的相似性?？紤]到蜜蜂和蝦在生命樹上的距離有多遠(yuǎn)，這特別有趣。眾所周知，中央復(fù)合體有助于蜜蜂的航行，因此，帕特爾(Patel)對了解其在螳螂蝦中的功能感興趣。Cronin實驗室的另一名研究生Alice Chou也正在研究螳螂蝦的大腦結(jié)構(gòu)。