Природная система позиционирования: Как жуки-скарабеи ориентируются по Млечному Пути

На протяжении тысячелетий люди поднимали взгляд к звёздам в поисках навигации. Но кто бы мог подумать, что простой жук скарабей доказанно используюет небесные ориентиры?

Учёные с удивлением обнаружили, что это существо, известное своей ежедневной рутинной борьбой за выживание, использует Млечный Путь как небесный компас. Это открытие не только раскрыло тайну навигации насекомого, но и стало прообразом для создания высокоточных ИИ-сенсоров для выполнения функций позиционирования аппаратов, работающих в условиях минимальной освещённости.

Жизненно необходимая навигация по звёздному компасу

Жуки-скарабеи (Scarabaeus satyrus), или навозники, относятся к самым трудолюбивым насекомым. Их выживание критически зависит от того, насколько быстро и точно они смогут откатить свой шарик из навоза подальше от места, где он был сформирован.

Навозный шарик служит скарабею двум ключевым целям: во-первых, он является источником питания для взрослой особи, а во-вторых, и что более важно, он становится брачной камерой и пищей для потомства. Самка откладывает яйца в этот шарик, и от его размера и безопасности зависит выживание следующего поколения.

Эта задача формирует суть их ежедневной борьбы за выживание, которая начинается с жёсткой конкуренции за ресурс у навозной кучи и продолжается эвакуацией ценного запаса. Если насекомое теряет ориентацию и начинает кружить, оно почти гарантированно столкнётся с конкурентами, которые попытаются отнять его шарик.

В дневное время скарабеи давно зарекомендовали себя как умелые навигаторы, используя Солнце и его поляризованный свет. Однако годами энтомологи не могли понять, как эти существа поддерживают такой же прямой курс в безлунные ночи, когда наземные и лунные ориентиры отсутствуют.

Фундаментальное открытие в разгадке этой тайны произошло в 2013 году. Международная группа биологов, из Лундского университета (Швеция), провела серию новаторских экспериментов.

В исследовании, результаты которого были опубликованы в журнале Current Biology, учёные помещали навозников в планетарий Йоханнесбурга в котором моделировались разные сценарии звездного неба. Оборудование планетария позволило исследователям полностью контролировать освещение и убирать все наземные ориентиры, вынуждая насекомых полагаться исключительно на моделируемые небесные сигналы.

Учёные обнаружили, что в условиях ясной безлунной ночи скарабеи сохраняли идеальный прямой курс, но при имитации пасмурного неба насекомые немедленно начинали хаотично кружить. Самое поразительное открытие состояло в том, что жуки успешно ориентировались даже в том случае, когда на купол проецировалась толькорассеянная полоса Млечного Пути, при этом отдельные яркие звёзды были убраны. Этот факт сделал скарабеев первым задокументированным насекомым, использующим расположение звезд в качестве компаса.

Секреты звёздного позиционирования скарабея

Способность насекомого, чей мозг по размеру сравним с рисовым зёрнышком, «читать» ночное небо вызывала закономерный вопрос о механизме этого процесса. Команда Лундского университета вскоре провела новое исследование, чтобы детализировать стратегию скарабея.

В 2016 году в журнале Current Biology те же исследователи, в число которых входил Базиль эль-Джунди (Basil el Jundi), раскрыли механизм калибровки небесного компаса скарабея. Учёные выяснили, что перед тем как начать движение, жук совершает так называемый «ориентационный танец»: он взбирается на свой шарик и несколько раз вращается вокруг своей оси.

Во время этого «танца» скарабей запоминает визуальную панораму звёздного неба и устанавливает свой курс. Этот визуальный «слепок» служит кратковременным компасом, который насекомое использует для поддержания прямолинейного движения. Если жук сбивается с курса из-за препятствий, он быстро повторяет танец для «перекалибровки».

В 2017 году в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society B учёные уточнили, какой именно сигнал скарабей получает от Млечного Пути. Для этих насекомых Млечный Путь не является сложным узором из миллионов далёких точек. Вместо этого они ориентируются по контрасту и градиенту яркости — то есть, по широкой, более яркой полосе света на фоне менее освещённого неба.

Фасеточные глаза скарабея обладают суперпозиционным строением. Такое строение позволяет объединять свет от нескольких омматидиев (отдельных элементов глаза) и делает их наиболее чувствительными к свету голубого и ультрафиолетового спектров, что позволяет им максимально эффективно воспринимать общее свечение ночного неба.

Это «более сильное свечение галактического диска» — результат низкой разрешающей способности глаз жука, которые воспринимают миллиарды звёзд как единый, размытый световой сигнал. Используя этот простой, но надёжный градиент, жук способен поддерживать прямой курс.

Применение в технологиях: Биомиметика

Открытие навигационной системы скарабея имеет практическое значение для инженерии и робототехники, привнеся новое направление в уже существующую область биомиметики (создания технологий, вдохновлённых природой).

Ярким примером такого подхода к навигации является проект, о котором публично заявили австралийские инженеры из Университета Южной Австралии в 2024 году. Они работают над разработкой ИИ-сенсора, созданного по образцу навигации навозного жука. Цель этой разработки — создать миниатюрный, высокочувствительный датчик, который сможет точно определять ориентацию в пространстве, используя лишь рассеянный свет неба или Млечный Путь.

Системы навигации, имитирующие принцип скарабея, обладают рядом ключевых преимуществ: они не зависят от внешних сигналов GPS, потребляют минимальное количество энергии и могут быть интегрированы в микроскопические устройства. Именно простота и эффективность принципа навигационной системы навозного жука позволяет создавать надёжные автономные сенсоры, способные работать в условиях, где радиосигналы блокируются (например, в закрытых пространствах) или оптические сенсоры не справляются с сильным затемнением.

Значение и выводы

Жук-скарабей, который древними египтянами был возведён в ранг священного символа, теперь стал предметом интереса для современной науки. Открытие его астрономических способностей стало важной вехой, показавшей, насколько эффективны могут быть навигационные системы даже у крошечных насекомых.

Скарабей, используя простейшее восприятие контраста, решает одну из сложнейших задач — автономную ориентацию в ночное время.

Изучение такого природного способа позиционирования позволяет инженерам преодолеть ограничения современных навигационных систем, открывая путь к более надёжным, автономным и энергетически эффективным устройствам, управляемым светом далёких звёзд.