есть ли мозг у шмеля
Опубликована первая трехмерная карта мозга шмелей
Ученые Вюрцбургского университета в Германии опубликовали первый трехмерный атлас головного мозга земляного шмеля Bombus terrestris, созданный на основе микроКТ-снимков. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell and Tissue Research. С 3D-моделью можно ознакомиться на сайте Insect Brain Database.
Исследователи провели компьютерную микротомографию мозга десяти рабочих особей шмелей, сохранив мозг неповрежденным и добившись изотропного разрешения изображений, то есть одинакового во всех направлениях. Сначала у насекомых аккуратно отделяли головы хирургическим скальпелем, затем мозг внутри головной капсулы на неделю погружали в раствор фосфорновольфрамовой кислоты для окрашивания тканей мозга. После этого каждую голову помещали в пластиковую соломинку под разными углами и проводили томографическое сканирование с разрешением 3,5-3,9 микрометра для получения серии 2D снимков.
В итоговую реконструкцию были включены все 30 нейропилей (сгустков отростков нейронов), различимых на томографических изображениях: пластинки (laminae), мозговое вещество (medullae), дольки (lobulae), антеннальные доли (antennal lobes), глазковые синаптические сплетения (ocellar synaptic plexi), протоцеребральный мост, верхний и нижний отдел центрального тела и другие отделы. Для создания атласа ученые реконструировали мозги десяти шмелей и привели их к усредненной трехмерной модели мозга.
Шмели играют роль модельного организма для исследования обучения и зрения, однако для понимания нейробиологических принципов, лежащих в основе поведения насекомых, ученым требуется детальное знание анатомии мозга и нейронной организации. Для этой цели и создают стандартные атласы мозга, которые уже имеются для плодовых мушек Drosophila melanogaster, жуков, ос, бабочек или медоносных пчел Apis mellifera.
Все атласы до сих пор создавали на основе окрашивания нейропилей иммуноцитохимическим методом и последующей конфокальной микроскопии, что подразумевает отделение мозга от головной капсулы. В результате нейронные ткани деформируются, а наиболее уязвимыми к повреждению являются антенные и зрительные доли мозга. В то же время этот метод дает более контрастные изображения, чем микроКТ, поэтому ученые планируют создать полную модель мозга шмелей и с помощью стандартного подхода, а потом объединить данные для более подробного атласа с высоким разрешением, контрастностью и точным положением нейропилей относительно друг друга.
Феномен шмеля: для сложного поведения не нужен крупный мозг
Логично предположить, что для выполнения сложных задач нужен большой размер мозга, однако не все так просто. Обозреватель ВВС Earth рассказывает об удивительно мощном мозге некоторых насекомых и червей, обладающих невероятными умениями.
Шмель приближается к цветку в поисках нектара. Он какое-то время кружит над ним и вдруг понимает: что-то тут не так. Шмель цветок видит, но добраться до него не может.
Но это еще не все. Как только шмель понимал, что нужно сделать для того, чтобы добраться до искусственного цветка, то этому трюку обучались и его собратья, наблюдавшие за его действиями.
Этот метод даже пережил его изобретателя. Он стал частью набора навыков, которыми владела колония, и передавался от шмеля к шмелю уже после того, как впервые потянувший за веревочку погиб.
Шмели прекрасно умеют ориентироваться и решать сложные задачи
Как оказалось, пчелы, как и шмели, могут решать различные задачи, учиться друг у друга и передавать накопленные знания другим поколениям.
Необыкновенные способности к обучению были обнаружены у пчел и других социальных насекомых еще в викторианские времена.
Чарльз Дарвин заметил, что медоносные пчелы могут учиться, наблюдая за тем, как шмели получают нектар незнакомым им, пчелам, способом.
Пчелы также могут научиться различать цвета и узоры. Могут ли они найти путь домой на расстоянии нескольких километров от улья? Без проблем. Распознать лицо человека? И это тоже. Могут ли пчелы пользоваться орудиями? Это следующий вопрос, на который Читтка хочет найти ответ.
В 1990-х годах в лаборатории Читтки был проведен эксперимент, в ходе которого исследователи пытались выяснить, умеют ли пчелы считать. Оказалось, умеют.
Казалось бы, эти две характеристики должны быть связаны между собой. Но чем больше ученые узнают о поведении насекомых и других небольших существ, тем больше убеждаются в том, что сложные навыки не всегда требуют наличия крупного мозга.
Похоже, что ответ на последний вопрос отрицательный: удивляться тут нечему.
Нервная система насекомых: есть ли у них мозг?
Несмотря на то, что насекомые кажутся довольно примитивными существами, у любопытных исследователей нередко появляются вопросы. Как устроена их нервная система? Каким образом отдельные виды организуют иерархию? Если они настолько организованы, означает ли это, что у них есть мозг? А если мозг есть, то отличается ли он у разных видов насекомых? В статье мы попробуем ответить на эти вопросы.
Исследование интеллекта насекомых
Насекомые представляют собой огромный класс беспозвоночных членистоногих. Ареал их обитания практически безграничный. Они встречаются в любом климате и почти на любой широте. Каждый из видов имеет свои отличительные особенности поведения и образа жизни. На протяжении многих столетий ученые пытались выяснить, каким образом связано поведение и образ жизни особей с их мозгом. Причем отношение к интеллекту этого класса сильно менялось с течением времени.
В древние времена люди боготворили насекомых, считая их умнейшими существами на планете. Так, древние египтяне полагали, что пчелиный улей представляет собой маленькое государство с пчелиным фараоном. А некоторые античные философы и учены всерьез думали, что у пчел может быть рабовладельческий строй.
Изображение пчел на древнеегипетской фреске
В средние века точка зрения на интеллект насекомых поменялась. Теперь отдельные ученые-натуралисты считали жуков своеобразными механизмами, не способным к мышлению и анализу и полагающимся только на рефлексы.
В 19 веке ученые вернулись к обсуждению вопроса о наличии интеллекта у этого класса. Теперь великие умы того времени разделились на два лагеря. Одни считали, что общественные насекомые способны мыслить, другие пытались доказать, что поведение и образ жизни – это всего лишь набор рефлексов. Лишь немногие ученые объясняли поведение пчел их способностью к обучению, большинство полагало, что это инстинкты. Такое суждение связывали с маленьким размером мозга.
Мозг букашек действительно значительно отличается от человеческого, количество нейронов в нем около 1 миллиона, в то время, как человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов. По этой причине ученые долгое время не изучали подробно мозг насекомых, считая его примитивным. Однако несколько проведенных исследований показало, что когнитивные способности букашек сопоставимы со способностями многих позвоночных! Это открытие вновь вызвало интерес со стороны научного сообщества к изучению нервной системы жучков.
В конце 20 века благодаря достижениям генетики было доказано, что у насекомых нет ни исключительно врожденных, ни исключительно приобретенных навыков. И хотя их поведение является врожденным, на него накладываются приобретенный опыт, который позволяет им приспосабливаться к определенному типу пищи или к определенной местности.
Строение мозга
Центральная нервная система этого класса состоит из ганглиевых узлов, соединенных в цепочку. Несколько пар ганглиев соединяются в мозг. Он состоит из трех отделов: первичный (протоцеребрум), вторичный (дейтоцеребрум), и третичный (тритоцеребрум). Дейтоцеребрум и тритоцеребрум являются достаточно простыми отделами, по структуре это обычные ганглии, это объясняется тем, что они посылают нервные сигналы только к тем частям организма, с которыми они связаны, то есть усиками и ротовой полости. Протоцеребрум гораздо сложнее по строению, т.к. он координирует работу всего организма.
Головной мозг насекомых
Протоцеребрум
Первичный мозг или протоцеребрум является самым большим отделом. Он отвечает за все процессы, протекающие в организме. Эта часть разделена на несколько зон, имеющих разное строение и отвечающих за разные функции. Протоцеребрум состоит из нейронов, отвечающих за обработку и анализ информации. Внешне протоцеребрум напоминает большой мозг млекопитающих. Внутри первичного отдела находятся волокнистые массы, называемые нейропилярными массами, образованные из отростков нервных клеток. С помощью нейропилей мозг делится на несколько отдельных частей.
Этот отдел, кроме координации работы организма, отвечает за зрение, а также за взаимодействие между отдельными особями. Благодаря протоцеребруму, некоторые виды способны к организации.
Ученые заметили, что у насекомых с более сложной организацией протоцеребрум развит сильнее. В помощью стебельчатых тел формируются ассоциации и происходит более подробная обработка информации, помогающая образовывать связи между особями. У коллективных насекомых количество стебельчатых тел значительно больше. Например у пчел эти тела занимают до 20 % мозга, а у мух или тараканов менее 2 %.
Дейтоцеребрум
Располагается перед тритоцеребрумом, передаем сигналы нервной системы в усики. Нервные волокна антенн – единственные волокна, связанные с этим отделом. Они очень развиты, начинаются со спинного (моторного) и брюшного (сенсорного) нервных корешков. Вторичный отдел разделен на две части, соединенные между собой комиссурой.
Тритоцеребрум
Располагается между остальными отделами мозга спереди от него и брюшной нервной цепочкой позади. Находится над кишечником и разделен на две части, соединенные между собой дугой, огибающей кишечник. Изначально тритоцеребрум отвечал за подачу сигнала нервной системы в усики, но позднее эта функция атрофировалась. Сейчас третичный отдел передает сигналы по нервным волокнам к мышцам ротовой полости и верхней губы.
Особенности мозга насекомых
Итак, мы выяснили, что у насекомых есть мозг, и кроме того, он не самый простой по строению. Именно благодаря этой сложной структуре отдельные виды, например пчелы или муравьи, способны к образованию иерархии и структуры. Именно это помогает муравьям передавать опыт более молодым поколениям, показывая им путь к добыче пищи, или выращивать тлю в определенных местах, а пчелам запоминать соцветия, где можно найти нектар.
С помощью протоцеребрума особи могут усваивать новую информацию, которую они потом могут использовать например для добычи пищи. Пчела может запомнить цвета окружающих объектов и их расположение. Это помогает найти дорогу к цветку, где она накануне собрала большое количество нектара. Кроме того, исследования, проведенные недавно, доказали, что насекомых можно целенаправленно обучать. Так, ученые обучили шмеля двигать мячик в определенное место, после чего шмель получал сладкий сироп. Несколько особей легко запомнили порядок действий и повторяли его.
Также у букашек отлично развито ориентирование в пространстве. Пчелы или шмели запоминают окружающие предметы, муравьи прокладывают дорожки к пище, а жуки-навозники могут ориентироваться даже ночью по звездному небу.
Насекомые не самые примитивные существа, как многие из нас привыкли думать. Их мозг одновременно и простой, и сложный. Многим видам такая структура нервной системы помогает избежать опасности, найти пищу и даже организовать иерархию в гнезде.
Шмели с плотным мозгом оказались сообразительнее собратьев
Vera Buhl / Wikimedia Commons
Шмели умеют распознавать и запомнить цвета, но для этого им требуется разное время. Британские ученые выяснили, что скорость обучения и память положительно связаны с плотностью синаптических образований определенных структур мозга, то есть чем плотнее синаптические комплексы, тем лучше особь справляется с заданием. Но верно и обратное: обучение более сложным задачам делает синаптические комплексы плотнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.
Известно, что синаптическая пластичность важна для успешного обучения. Однако индивидуальные когнитивные способности могут значительно отличаться, и как это происходит с точки зрения синаптического устройства индивида, не до конца понятно. Предыдущие исследования интеллекта насекомых обнаружили синаптические изменения, связанные с возрастом. На этот раз ученые решили проследить связи между индивидуальной скоростью обучения, долгосрочной памятью, сложностью задачи, и изменениями в плотности структур мозга на примере земляных шмелей (Bombus terrestris).
Ученые провели ряд экспериментов, в которых шмели учились распознавать цвета: в экспериментальной камере располагалось 20 либо цветных, либо прозрачных платформ, на которых находилась сладкая или горькая вода. В некоторых экспериментах ученые использовали только два цвета, в других — десять разных цветов. Через два дня после фазы обучения следовала фаза проверки памяти, которая проходила точно в таких же условиях, что и тренировка, только с обычной водой. Десять цветов — достаточно много, чтобы проследить индивидуальные отличия в скорости обучения и точности памяти. После теста на память насекомых собирали для исследования структур мозга: ученые извлекали мозг, имуноокрашивали пресинаптичекие терминалы и измеряли их плотность и размер чашевидной полости. За обучение насекомых отвечают грибовидные тела, главным образом чашевидная полость, которая принимает сенсорные сигналы и состоит из нескольких участков. Визуальную информацию получает «воротник», а запахи из антенной доли поступают в «губу». Экспериментаторы очищали экспериментальную камеру после каждого посещения ее насекомым, чтобы исключить влияние запахов.
(a) Мозг взрослого шмеля, (b) «воротник» выделен пунктирной линией, (c) плотность скопления дендритов в «воротнике», (d) схема экспериментальной камеры
Li Li et al., Proceedings of the Royal Society B, 2017
uCrazy.ru
Навигация
ЛУЧШЕЕ ЗА НЕДЕЛЮ
ОПРОС
СЕЙЧАС НА САЙТЕ
КАЛЕНДАРЬ
Сегодня день рождения
Рекомендуем
Шмели. Интересные факты
Сегодня поговорим о шмелях. Шмель — летающее насекомое, очень близкий родственник обычной медоносной пчелы.
Внешне шмель очень похож на обыкновенную пчелу, только он крупнее, в длину до 2,5 см и больше, его толстенькое тельце густо покрыто волосками. Спинка тёмная, чаще всего с жёлтыми полосками, но иногда полоски бывают оранжевого или красного цвета, редко встречаются чисто чёрные особи без полосок. Тельце насекомого заканчивается гладким жалом без зазубрин, которое не видно в обычном состоянии. На спинке расположены 2 небольших прозрачных крылышка.
Всего ученые насчитали более 300 видов шмелей. Появились они на Земле около 30 млн. лет назад! Живут в северной части Евразии и Африки, в Северной Америке. Не так давно этих мохнатых насекомых завезли в Австралию и Новую Зеландию. Они прекрасно себя чувствуют и в горах, и в лесах, и в полях.
Как живут шмели
Они строят гнезда в земле, листовой подстилке, дуплах, птичьих гнездах, кротовых, мышиных, беличьих норах.
В каждой семье насчитывается до 200-300 особей:
матки, которые откладывают яйца, они самые крупные — в среднем 26 мм;
рабочие, которые достраивают и ремонтируют гнездо, добывают пищу, они самые мелкие — до 19 мм;
самцы, которые оплодотворяют маток, имеют средние размеры — до 22 мм.
Один из рабочих шмелей — это трубач. Каждое утро он первым вылетает из гнезда и особым гудением будит остальных.
Шмелиная семья живёт одно лето. Осенью все насекомые погибают, кроме нескольких оплодотворенных молодых маток, которые зимуют и в апреле начинают строить гнездо, откладывают яйца и заводят новую семью.
Всего 4 стадии развития шмеля: яйцо — личинка (развивается 10-14 дней) — куколка (развивается 14 дней) — взрослое насекомое. Всего от яйца до появления взрослого насекомого проходит в среднем 1 месяц.
Шмели-кукушки
Шмели́-куку́шки (паразитные шмели, шептуны; лат. Psithyrus) — подрод социальных паразитов из рода шмелей (Bombus), не строящих гнёзд и не собирающих пыльцу и нектар. До недавнего времени считался отдельным родом. Отсутствие необходимости в добыче продовольствия привело к отличиям от прочих шмелей: волоски, покрывающие хитин, реже и короче; хоботок более короткий; хитиновый скелет значительно плотнее; корзинок для сбора пыльцы на задних лапках нет. Каста рабочих отсутствует. Для выведения потомства шмель-кукушка проникает в гнездо шмелей-хозяев, предварительно дав им примерно месяц на развитие. Для поиска гнезда паразит ориентируется на запах, исходящий из сора, скапливающегося на дне гнезда. Звук полёта более тихий, чтобы не привлекать внимание хозяев. Паразит проникает тайно, первое время прячется от хозяев гнезда, пока не приобретёт их запах, затем выбирается и намеренно прохаживается перед ними, чтобы проверить их реакцию. Шмелей, не обращающих на него внимания, он не трогает, а тех, кто пытается его атаковать, убивает. Его хитиновый скелет значительно прочнее шмелиного, жало длиннее, а челюсти острее, с крепкими зубцами, и ранят сильнее шмелиных. Но иногда шмели атакуют большой группой, и незваный гость гибнет, так как в его броне есть уязвимые места: конец брюшка и шея.
Обычно шмель-кукушка убивает матку-хозяйку, а затем выбрасывает из расплодных пакетов личинок и яйца (но не куколок — они производят тепло и не потребляют пищевые продукты). Но некоторые виды не трогают хозяев, и они оба (паразит и хозяин) выводят потомство. Но если два шмеля-кукушки проникнут в одно гнездо, то обязательно начнут драку, и один из них неизбежно погибает.
Каждый вид шмеля-паразита развивается в гнёздах одного–двух шмелей-хозяев, а их ареал распространяется почти до северной границы ареала распространения шмелей. Многие виды даже внешне копируют те виды, которые выбирают для развития (у одного вида — только самцы).
Личинки паразита развиваются быстрее хозяйских, а матки менее требовательны к условиям зимовки.
Интересные факты об шмелях
Шмели (лат. Bombus) — род перепончатокрылых насекомых, которые являются близкими родственниками медоносным пчёлам. Около 300 видов шмелей обитают в Северной Евразии, Северной Америке, Северной Африке, а также в горах некоторых других регионов.
Шмели — одни из самых холодостойких насекомых. Они способны, быстро и часто сокращая мышцы груди, ускоренно разогреть своё тело до необходимых 40 °C. Это позволяет им вылетать рано утром и собирать первый нектар, когда воздух ещё недостаточно прогрелся, и даёт шмелям определённое конкурентное преимущество перед другими видами насекомых.
Помогает шмелю греться его «шерсть» — она уменьшает теплопотери в два раза.
В полете 90 % всей энергии преобразуется в тепло, и потому температура летящего шмеля постоянна: 36″С при температуре окружающего воздуха 5°С, и 45°С — при 35°С в воздухе. При более высоких температурах шмель не может летать из-за перегрева. Хотя механизмы охлаждения у шмелей имеются: летящий шмель выпускает изо рта каплю жидкости, которая испаряется и охлаждает голову.
Шмель не способен поддерживать высокую температуру тела, когда сидит неподвижно.
Живут шмели колониями по 50-200 особей в каждой. В состав колонии входят три типа особей: самки, рабочие (неполовозрелые самки) и самцы. Основателем семьи является самка-матка, это одна из немногих перезимовавших оплодотворенных осенью самок. Ранней весной (конец апреля-май) матка в одиночку начинает устраивать гнездо.
Особенностью шмелей является то, что, в отличие от других общественных пчел, все личинки развиваются и выкармливаются вместе, в одной камере. В нормальных условиях самка, отложив 200—400 яиц, дающих рабочих, начинает откладывать яйца, из которых развиваются самки и самцы.
Уже очень давно было замечено, что в шмелиных гнездах перед рассветом появляется «трубач», который, как считалось, поднимает гудением соплеменников на работу. А оказалось, что он просто дрожит от холода. Ведь в предутренние часы температура у поверхности почвы сильно падает. Гнездо охлаждается и, для того чтобы согреть его, шмелям приходится усиленно работать грудными мышцами.
В жаркие дни можно увидеть шмеля у входа в гнездо, который трепещет крыльями. Он занимается вентилированием гнезда.
Из-за малой агрессивности шмелей они могут широко использоваться на садово-дачных участках. Существует даже отрасль такая под названием шмелеводство — разведение шмелей для опыления сельскохозяйственных культур с целью повышения их урожайности.
Перезимовавшая самка шмеля (матка) ранней весной находит место для гнезда. Обложив гнездо снаружи мхом или сухими травинками, самка делает внутри первую круглую восковую ячейку. Она помещает в ячейку небольшой запас пищи – смесь цветочной пыльцы с медом – и откладывает несколько яиц. Запечатав эту ячейку, матка строит следующие.
Существует распространенное заблуждение, что шмель летает вопреки законам аэродинамики. Вероятно, оно возникло в начале XX века при попытке применить к шмелю вычисления подъемной силы, предназначенные для самолетов. Физик Чжэн Джейн Ван из Корнелльского университета (США) доказала, что полет насекомых не нарушает физических законов. Для этого потребовалось много часов моделирования на суперкомпьютере сложного движения воздуха вокруг быстро движущихся крыльев. Ван отмечает, что старый миф о шмеле — просто следствие плохого понимания авиаинженерами нестационарной вязкой газовой динамики.
Время появления шмелей точно не известно. Самые ранние окаменелости рода Bombus датируются Олигоценом (38 – 26 млн лет), но время возникновения группы пока точно неизвестно. Окаменелость шмеля является очень редкой находкой, поскольку попасть в смолу такому большому насекомому, чтобы полностью потом быть окутанным ею и отвердеть в янтарь, очень сложно.
Находки указывают на Азию, как место, где впервые появились шмели. До сих пор в этой части света обитает наибольшее разнообразие шмелей.