Matematycznie najlepsza strategia poszukiwania pożywienia jest ewolucyjnie wbudowana w zwierzęta

| Nauki przyrodnicze
NOAA

W laboratorium Jimeny Berni w Sydney larwy muszek owocówek przemieszczają się w szalkach w poszukiwaniu jedzenia. Uczona wie, że larwy są wiecznie głodne i gdy tylko mogą poszukują pożywienia. Jednak w przypadku tych akurat larw sam sposób poszukiwania żywności był zaskakujący. Berni zmodyfikowała je bowiem genetycznie tak, by nie tylko nie miały funkcjonalnego mózgu, ale również by nie odbierały sygnałów dotykowych z otoczenia.

Berni, która specjalizuje się w badaniu układu nerwowego Drosophila, chciała wiedzieć, co powoduje, że larwa nadal żeruje, mimo iż została pozbawiona neuronów pozwalających jej na kontrolowanie mięśni oraz pozbawiona sygnałów z zewnątrz.
Okazało się, że larwy poruszały się według szczególnego wzorca, który jest dobrze znany współpracownikowi Berni, profesorowi Davidowi Simsowi z Marine Biological Association w Plymouth w Wielkiej Brytanii. Sposób poszukiwania pożywienia przez larwy owocówki był taki, jak... wykorzystywany przez rekiny.

Zwykle o tym, co zrobić dalej decydujemy dzięki odbieraniu sygnałów z otoczenia i łączeniu ich z informacjami przechowywanymi w mózgu. Jednak wielu zwierzętom brakuje użytecznych informacji np. pomagających ich znaleźć pożywienie. W takim wypadku, jak wiemy od ponad dwóch dekad, wiele gatunków zwierząt stosuje specyficzny typ przypadkowego ruchu, zwanego ruchem Levy'ego. To połączenie chaotycznych ruchów zestawione w odpowiedniej proporcji z ruchem po linii prostej. Tak np. poszukują pożywienia rekiny, albatrosy czy lisy. Kręcą się przez jakiś czas po swojej okolicy, a gdy niczego nie znajdą, przemierzają pewien odcinek w linii prostej i znowu zaczynają chaotycznie przeczesywać okolicę.

Jako, że wiele gatunków wykorzystuje ruch Levy'ego, sugeruje to, że ewolucja wyposażyła układ nerwowy zwierząt w możliwość generowania spontanicznego wzorca poszukiwań, który jest bardziej efektywny niż inne strategie poszukiwania na ślepo.

Biolodzy zainteresowali się ruchem Levy'ego, gdy w 1996 roku Ganghi Vishwanathan i jego zespół stwierdzili, że trasa lotu albatrosów wygląda, jak ruchy Levy'ego. Byłem wtedy doktorantem i chciałem lepiej zrozumieć wolną wolę, mówi Viswanathan, który obecnie jest profesorem fizyki na Federalnym Uniwersytecie Rio Grand do Norte w Brazylii. Uczony chciał przeanalizować wzorzec przemieszczania się ludzi, by sprawdzić, czy można do tego dopasować jakieś zasady statystyki. Jednak nie dysponował użytecznymi danymi. Okazało się, że istnieją informacje na temat ruchu albatrosów, więc uczony zajął się właśnie nim. Jego odkrycie, że albatrosy wykorzystują ruch Levy'ego, spotkało się z dużym zainteresowaniem biologów i ekologów, a sam Viswanathan zaczął bliżej badać to zagadnienie. Trzy lata później opublikował kolejną pracę, w której dowodził, że ruch Levy'ego to – z matematycznego punktu widzenia – najlepsza strategia poszukiwania pożywienia w sytuacji, gdy nie mamy żadnych danych na temat jego lokalizacji.

Praca zdobyła wielki rozgłos i wywołała równie wielkie kontrowersje. Trudno bowiem było uwierzyć, że zwierzęta spontanicznie wykorzystują najlepsze matematyczne strategie. Ponadto wciąż brak było większej liczby obserwacji to potwierdzających. Zoolodzy nie dysponowali dokładnymi danymi dotyczącymi sposobu poruszania się zbyt wielu gatunków dzikich zwierząt, a matematycy nie dysponowali odpowiednimi metodami ich analizowania. Jednak niektórzy uczeni postanowili bliżej przyjrzeć się temu problemowi.

Jednym z nich był Sims. Jego badania długoszparów wykazały, że rzeczywiście w poszukiwaniu planktonu wykorzystują one ruch Levy'ego. Było to tak widoczne w uzyskanych danych, że Sims przeanalizował dostępne informacje dotyczące ruchu żarłaczy błękitnych, samogłowowatych, pingwinów, tuńczyków i żółwi skórzastych. Wszędzie, w większym lub mniejszym stopniu, widoczne były ruchy Levy'ego. Coraz więcej dowodów wskazywało na to, że gdy zwierzę nie pamięta, gdzie jest pożywienie, lub gdy nie ma żadnych informacji na ten temat, spontanicznie wykorzystuje ruchy Levy'ego.

W środowisku biologów pojawił się spór o to, czy wykorzystywanie ruchów Levy'ego wyewoluowało dlatego, że jest to najlepsza strategia znalezienia pożywienia czy też zwierzęta stosują tę strategię, gdyż wiedzą, że pożywienie i informacja na jego temat jest rozłożona tak, a nie inaczej. Wiemy bowiem, że niektóre gatunki małp wykorzystują ruchy Levy'ego gdy eksplorują otoczenia, ale wszystko wskazuje na to, że jednak wykorzystują zmysły do odnalezienia w ten sposób pożywienia. Nie są to więc ruchy spontaniczne.

Co więcej, wiemy też, że ruchy Levy'ego są wykorzystywane m.in. przez limfocyty T podczas poruszania się w mózgu czy też przez pyłki i nasiona podczas rozprzestrzeniania się otoczeniu. Jest to więc zagadnienie złożone, wykraczające poza pojedyncze przypadki i mechanizmy. Np. niektórzy naukowcy twierdzą, że przyczyną wykorzystywania przez albatrosy ruchów Levy'ego jest fakt, że w rzeczywistości zapachy roznoszą się zgodnie z ruchami Levy'ego, a albatrosy jedynie podążają ich drogą.
I właśnie po to, by sprawdzić prawdziwość tej hipotezy, Berni i Sims przeprowadzili eksperymenty na larwach owocówek. Pozbawili je mózgu i wszelkich zmysłów, by sprawdzić, czy ruchy Levy'ego są generowane spontanicznie czy też są odpowiedzią na sygnały z zewnątrz.

Ich najnowsze badania wykazały, że zwierzęta pozbawione sygnałów z zewnątrz spontanicznie korzystają z ruchów Levy'ego. Teraz już nie powinniśmy pytać czy ale kiedy zwierzęta wykorzystują ruchy Levy'ego. Ponadto wrodzona zdolność do ich generowania musi mieć podłoże ewolucyjne, mówi Viswanathan.

Berni i jej zespół rozpoczęli już kolejny etap badań. Wyizolowali układ nerwowy owocówki i badają jego aktywność pod mikroskopem. Do pracy zaangażowano też zaawansowane modele matematyczne. Inne grupy naukowe prowadzą badania, które wskazują, że rych Levy'ego są wykorzystywane też przez nicienie i dżdżownice.

Autor:

Źródło: Quanta Magazine

ruchy Levy'ego poszukiwanie pożywienia zwierzęta muszka owocówka