Некоторые членистоногие отбрасывают части тела, чаще всего конечности, чтобы спастись от хищника. В биологии этот процесс называют автотомией. Например, пауки отделяют одну или несколько ног, но во время линьки их восстанавливают. Команда американских арахнологов задалась вопросом, как именно эти членистоногие передвигаются после потери конечностей. Ученые впервые применили машинное обучение для анализа движений пауков и обнаружили, что они не учатся заново бегать, а корректируют походку, которая позволяет вернуться к полноценному бегу.
Davus pentaloris в дикой природе. Открытие американских арахнологов показало невероятную гибкость нервной системы этих пауков. Такие навыки адаптации, вероятно, заинтересуют робототехников / © Wikimedia
У многих животных, а именно — членистоногих и некоторых позвоночных, есть «суперспособность». Они самопроизвольно могут отбрасывать часть тела, когда на кону стоит их жизнь. При атаке хищника эти животные «жертвуют» ненужной частью, которая отвлекает противника и дает шанс сбежать. Такая способность получила название «автотомия» — распространенная стратегия в животном мире.
Автотомия особенно часто встречается у пауков, которые во время этого процесса отбрасывают одну или пару ног (всего их восемь). Правда, утраченные ноги отрастают заново после линьки — например, молодым особям для этого хватает одного-двух месяцев.
Но прежде чем конечности отрастут, паукам необходимо перемещаться и добывать себе еду, а еще спасаться от хищников. В предыдущих работах ученые отмечали: потеря конечностей может замедлить скорость движения пауков, что, в свою очередь, сказывается на их выживании. Специалисты десятилетиями спорили, как членистоногие компенсируют потерю ног и влияет ли регенерация на их движения.
В вопросе решила разобраться команда арахнологов из США под руководством Сюзанны Кейн (Suzanne Kane) из Хаверфордского колледжа в Пенсильвании. Для этого исследователи изучали, как членистоногие адаптируют походку сразу после автотомии и в период линьки. Выводы ученых представлены на сайте электронного архива научных статей и препринтов по биологии bioRxiv.org.
В качестве испытуемых Кейн и ее коллеги выбрали молодых пауков-птицеедов вида Davus pentaloris, выращенных в неволе и еще не терявших конечности. Эти животные обитают в Центральной Америке, преимущественно в Мексике и Гватемале.
Сначала исследователи сняли на высокоскоростную камеру, как восьминогие пауки бегают по ровной поверхности. Затем заставили каждого паука отбросить две ноги и повторили съемку сразу после «ампутации» и через сутки.
Чтобы заставить пауков отбросить конкретные конечности, исследователи сперва «усыпили» животных, понизив температуру окружающей среды, а после приклеили две выбранные ноги к картону. Когда пауки «проснулись», ученые слегка гладили их тонкой кисточкой, таким образом создавая раздражитель, что спровоцировало членистоногих на автотомию.
Поясним, пауки не спят в том смысле, как это происходит у млекопитающих, но их активность сильно зависит от температуры окружающей среды. При понижении температуры обмен веществ пауков замедляется, что приводит к снижению подвижности: они становятся менее активными, а, иногда практически неподвижными, что может напоминать состояние сна или даже спячки. Это не полноценный «сон», скорее адаптивная реакция, позволяющая экономить энергию в холодных условиях.
До автотомии испытуемые животные бегали со скоростью примерно 0,38 метра в секунду на всех восьми ногах. После потери двух конечностей они почти сразу вернулись к прежним показателям. Оказалось, даже без двух ног пауки бегают так же быстро, как раньше.
Анализ видео показал: членистоногие перераспределили нагрузку на оставшиеся конечности, изменили синхронность их движения. Например, начали ставить ноги в те зоны, где раньше находились ампутированные, а также скорректировали шаг для большей устойчивости. Иными словами, животные моментально перестроили походку: оставшиеся шесть ног двигались по-новому, занимая место утраченных. Это позволило животным не терять скорость и устойчивость.
После «ампутации» пауки раздвинули оставшиеся ноги шире и повернули тело на 11-15 градусов относительно направления бега. Это помогло равномерно распределить нагрузку и сохранить устойчивость.
Но главное открытие — мгновенная смена походки. Раньше ученые считали, что после потери двух ног пауки переходят на «усеченную тетраподную» походку (двигают четырьмя ногами) или «модифицированную триподную» (используют три пары ног). Машинное обучение, анализирующее тысячи кадров видео, помогло выявить, что пауки комбинируют оба варианта, плавно переключаясь между ними, причем адаптация происходит мгновенно.
«Любопытно, что после потери конечности пауки не учатся заново бегать — их нервная система сразу находит оптимальное решение», — пояснила Кейн.
Открытие американских арахнологов показало невероятную гибкость нервной системы пауков. Такие навыки адаптации, вероятно, заинтересуют робототехников. Инженеры смогут разработать машины, которые, как пауки, будут быстро «перепрограммировать» движение после поломок. Это особенно важно для систем, работающих в экстремальных условиях — от зон стихийных бедствий до других планет.
Комментарии
Помните анекдот на эту же тему, где ставили опыт над тараканом-отрывали ему ноги по одной и говорили ему "таракан, ползи!" И он полз.
Последняя запись: "после отрыва последней ноги таракан оглох"))