Часть членистоногих отбрасывают части тела, например конечности, чтобы защититься от хищников. Этот процесс называется автотомией. Например, пауки отделяют одну или несколько ног, но во время линьки восстанавливают их. Американские арахнологи изучили, как эти членистоногие передвигаются после потери конечностей. Ученые впервые применили машинное обучение для анализа движений пауков и обнаружили, что те не учатся заново бегать, а корректируют походку, которая позволяет вернуться к полноценному бегу.
Многие животные, а именно членистоногие и некоторые позвоночные, обладают способностью самопроизвольно отбрасывать часть тела в опасных ситуациях. При нападении хищника эти животные «жертвуют» ненужной частью, которая отвлекает противника и дает шанс на спасение. Такая способность называется… «автотомия» — распространенная стратегия в животном мире.
Автотомия особенно часто встречается Пауки в процессе линьки могут отбрасывать одну или несколько ног из восьми имеющихся. Утраченные конечности восстанавливаются заново после линьки; для молодых особей этот процесс занимает один-два месяца.
Прежде чем конечности восстановятся, паукам требуется передвигаться, добывать пищу и избегать хищников. В прошлых исследованиях учёные отмечалиПотеря конечностей может замедлять передвижение пауков, что негативно влияет на их выживание. Десятилетиями специалисты дискутировали о том, как членистоногие справляются с потерей конечностей и как регенерация сказывается на их движении.
Команда арахнологов, возглавляемая Сюзанной Кейн из США, взялась за изучение этого вопроса. Suzanne KaneУчёные из Хаверфордского колледжа в Пенсильвании исследовали адаптацию походки членистоногих после самоампутации и линьки. представлены На интернет-платформе для публикаций научных работ в области биологии. bioRxiv.org.
Кейн с соратниками для экспериментов отобрала молодых пауков-птицеедов определенного вида. Davus pentalorisВыращенные в неволе, эти животные еще не потеряли конечности.
Первоначально учёные с помощью высокоскоростной камеры засняли перемещение многоногих пауков по ровной поверхности. После этого для каждого из них искусственно удалили по две конечности, а затем вновь отсняли их передвижение сразу после операции и спустя двадцать четыре часа.
Чтобы заставить пауков отбросить определенные конечности, исследователи сначала погрузили животных в состояние покоя, понизив температуру их окружения. Затем приклеили две выбранные ноги к картону. После этого, когда пауки очнулись, ученые слегка гладили их тонкой кисточкой, создавая раздражитель, который провоцировал у членистоногих автотомию.
Пауки не спят так же, как млекопитающие. Их активность сильно зависит от температуры воздуха. При похолодании обмен веществ пауков замедляется, что уменьшает их подвижность: они становятся менее активными и иногда почти неподвижными, что может напоминать сон или даже зимнюю спячку. Это не настоящий «сон», а скорее адаптация, которая помогает им экономить энергию в холодное время.
До проведения автотомии испытуемые животные передвигались со скоростью приблизительно 0,38 метра в секунду на всех восьми ногах. После потери двух конечностей показатель скорости быстро вернулся к прежнему уровню. Даже без двух ног пауки бегают с такой же скоростью, как и раньше.
Анализ видео показал, что членистоногие перераспределили нагрузку на оставшиеся конечности, изменив синхронность их движения. Животные стали ставить ноги в те зоны, где раньше находились ампутированные, а также скорректировали шаг для большей устойчивости. Моментально перестроенная походка позволила животным не терять скорость и устойчивость.
После удаления конечности пауки расставили оставшиеся ноги шире и повернули тело на 11-15 градусов по отношению к направлению движения. Такое положение позволило равномерно разделить нагрузку и удержать равновесие.
Главное открытие — мгновенная смена способа передвижения. Ранее учёные считали, что после потери двух ног пауки переходят на «усеченную тетраподную» (движение четырьмя ногами) или «модифицированную триподную» (использование трёх пар ног) походку. Машинное обучение, анализирующее тысячи кадров видео, показало, что пауки комбинируют оба варианта, плавно переключаясь между ними, причём адаптация происходит мгновенно.
Интересно, что пауки после потери конечности не разучиваются бегать – нервная система сразу же находит оптимальный вариант. пояснила Кейн.
Открытие арахнологов из Америки продемонстрировало невероятную гибкость нервной системы пауков. Такой уровень адаптации может заинтересовать робототехников, которые смогут разработать машины, способные, как пауки, быстро перепрограммировать движение после повреждений. Это особенно важно для систем, работающих в экстремальных условиях: от зон стихийных бедствий до других планет.