Группа немецких ученых из Ульмского университета и Университета Карла Эберхарда (Тюбингенский университет) разработали чувствительную беговую дорожку для небольших насекомых, которую протестировали на муравьях. Статья опубликована в Journal of Experimental Biology.
Беговые дорожки на основе шара нередко используются учеными в различных исследованиях, посвященных поведению животных — например, с помощью подобной конструкции ученым удалось сделать лабиринт для мышей в виртуальной реальности. Однако использование таких беговых дорожек для небольших организмов, в том числе насекомых, может быть проблематично — из-за небольшого веса наблюдаемого объекта инерция шара может мешать точности проводимых измерений. Кроме того, для регистрации вращения часто используются камеры, считывающие специальный узор на поверхности шара, поэтому проводимые исследования требовательны к выбору оборудования, освещению и окружающим условиям.
В новой статье ученые описывают создание легкой и точной беговой дорожки на базе сферы из пенопласта и запчастей компьютерной периферии. При этом беговая дорожка может работать как в лабораторных условиях, так и на открытом воздухе, а также не зависит от уровня освещения.
Сначала для получения сферы правильной формы с однородной поверхностью исследователи брали пенопластовые сферы, изготовленные в заводских условиях, разделяли их пополам и нагревали в точно отлитой алюминиевой форме до температуры около 100 градусов Цельсия. Затем форму охлаждали, вынимали сферу и снова разрезали.
Из половинок вырезали лишний материал с помощью поворотного стола и нагретой проволоки, добиваясь одинаковой толщины стенок, после этого сферу склеивали обратно. Таким образом, отмечают авторы, им удалось для разных животных изготовить ровные и легкие сферы с диаметром 3, 5, 10, 15, 20 и 50 сантиметров и массой в 0,07, 0,3, 1,7, 3, 8 и 85 граммов соответственно.
В беговой дорожке для шара используется ниша, в которой шар парит с помощью подаваемого снизу воздуха. Для регистрации вращения сферы авторы использовали два оптических датчика от компьютерной мыши и светодиод для подсветки. По словам ученых, собранная беговая дорожка позволяет регистрировать вращение с сферы с частотой до 200 кадров в секунду с точностью до 0,16 миллиметра.
Сам объект исследования приклеивается к стальной булавке, которая свободно вращается и ходит вверх-вниз внутри стеклянной трубки. В конструкции подвеса авторы предусмотрели небольшой эластичный участок из нити, который позволяет животному совершать мелкие движения — например, небольшие повороты, — с минимальным влиянием инерции подвеса.
Для демонстрации работоспособности своей беговой дорожки авторы поставили серию экспериментов над двумя видами муравьев-бегунков (род Cataglyphis). Ученые проверяли работу уже известного ранее механизма навигации муравьев — насекомые ориентируются по источнику света и пройденным шагам. Эксперименты проводились как в полевых, так и в лабораторных условиях — муравьев ловили в нескольких метрах от муравейника и приклеивали к подвесу беговой дорожки. После этого ученые наблюдали, как муравьи, пройдя положенное количество шагов «обратно» по беговой дорожке, замедлялись и начинали искать муравейник, постоянно меняя направление движения.
Двое из авторов статьи, посвященной беговой дорожке для насекомых, ранее уже проводили похожие эксперименты над муравьями. В одном из них ученые приклеивали муравьям ходули, а в другом закрывали глаза повязкой. В результате исследователи выяснили, что муравьи способны не только считать шаги от муравейника, но ориентируются по оптическому потоку. При этом насекомые могут «на глаз» оценить пройденное от гнезда расстояние, даже если они не идут сами, а их несут другие особи.