Шмели способны различать короткие и длинные световые сигналы, что помогает им в поисках пищи. Эта способность, схожая с умением расшифровывать азбуку Морзе, ранее полагалась только животным с позвоночной системой.
Умение учитывать временные факторы необходимо животным для поддержания жизни. Оно позволяет им составлять планы поиска пропитания, взаимодействовать с другими членами своего вида и уклоняться от опасностей. Так, колибри запоминают, насколько быстро восполняется нектар в цветах, чтобы посещать их в подходящее время. У медоносных пчел имеется сложная система коммуникации, в которой продолжительность движений указывает на расстояние до источника пищи.
У животных восприятие времени осуществляется в различных временных рамках: от многолетних сезонных циклов до долей секунды. Многочисленные циклы, например, смена дня и ночи, управляют внутренними биологическими часами, которые базируются на синтезе белков. Однако, эти механизмы недостаточно быстры, чтобы объяснить способность к распознаванию коротких промежутков времени, измеряемых секундами. Ранее полагалось, что такой навык доступен лишь позвоночным с более сложной организацией мозга, таким как обезьяны, крысы или голуби.
Как насекомые решают подобные задачи, обладая столь крошечной нервной системой, долгое время оставалось загадкой. Их мозг имеет объем менее одного кубического миллиметра, однако при этом они проявляют сложное поведение. Изучение их возможностей позволяет лучше понять основные принципы функционирования нервной системы.
Биологи провели исследование, чтобы выяснить, способны ли шмели Bombus terrestris различать длительность визуальных сигналов, чтобы принимать решения. Результаты опубликованы в журнале Biology Letters.
Ученые создали лабиринт, состоящий из трех камер. В каждой камере был установлен монитор, на котором отображались два мерцающих желтых круга для шмелей. Один круг мигал с небольшими перерывами, обозначенный как «точка», а другой – с более длинными интервалами, условно «тире».
Во время обучения один из сигналов ассоциировался с вознаграждением – каплей сладкого раствора, а другой – с неприятным стимулом в виде капли горького раствора хинина. Чтобы шмели не формировали устойчивую память о месте расположения вознаграждения, и ориентировались исключительно на сам сигнал, положение «точки» и «тире» постоянно изменялось.
Обучение прекращалось, когда пчела демонстрировала способность успешно выбирать 15 правильных ответов из 20 предложенных. Затем следовала фаза тестирования, в ходе которой капли с сахаром и хинином заменялись на воду. Это необходимо было для подтверждения того, что реакция насекомых обусловлена исключительно длительностью световых импульсов, а не запахом или другими сопутствующими факторами, связанными с получением вознаграждения.
Изучение проводилось в два этапа. На первом этапе наблюдалось различие в общей продолжительности свечения для «длинного» и «короткого» сигналов. Так, в одном из вариантов «длинный» сигнал горел пять секунд, в то время как «короткий» – всего одну секунду.
В ходе второго эксперимента сложность задачи была увеличена. Общая продолжительность свечения для обоих сигналов была выровнена. В течение пятисекундного цикла как «длинный», так и «короткий» сигналы суммарно излучали свет в течение 2,5 секунды, однако с различной частотой и продолжительностью отдельных вспышек.
Шмели успешно решили поставленные задачи в обоих исследованиях. Они освоили поиск сигнала, указывающего на вознаграждение, даже при одинаковой общей яркости двух кругов. В первом эксперименте 16 из 20 шмелей, а во втором — 17 из 21 продемонстрировали результат, превосходящий случайный. Это подтвердило, что насекомые принимали решения, ориентируясь на продолжительность отдельных вспышек, а не на общую яркость или частоту миганий.
Согласно результатам исследования, шмели демонстрируют развитые способности к восприятию и обработке информации о времени, которые прежде не приписывались насекомым. Эти способности не обусловлены генетически заданными способами поиска пропитания, так как в естественной среде шмели не встречают мерцающие сигналы. Скорее всего, они применяют универсальные принципы обучения.
Исследователи полагают, что аналогичные нейронные цепи способны обеспечивать как ощущение времени, так и пространственную ориентацию, например, при определении скорости движения. Анализ этих эффективных «вычислительных» систем у насекомых может способствовать более глубокому пониманию принципов работы мозга на элементарном уровне.