Η τυχαία αναζήτηση ενσύρματη σε ζώα μπορεί να τα βοηθήσει να κυνηγήσουν
Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η προνύμφη μύγας στο εργαστήριο του Jimena Berni σέρνεται στο μεγάλο πιάτο με άγαρ αναζητώντας τροφή. «Μια Drosophila Η προνύμφη είτε τρώει είτε δεν τρώει, και αν δεν τρώει, θέλει να φάει», είπε. Η έκπληξη είναι ότι αυτή η προνύμφη μπορεί να ψάξει για τροφή καθόλου. Λόγω μιας σειράς γενετικών τεχνασμάτων που έκανε ο Berni, δεν έχει λειτουργικό εγκέφαλο. Στην πραγματικότητα, τα συστήματα που συνήθως μεταδίδουν την αίσθηση της αφής και της ανάδρασης από τους μύες του έχουν επίσης κλείσει.
Η Berni, μια Αργεντινή νευροεπιστήμονας της οποίας οι έρευνες για το νευρικό σύστημα της μύγας της φρούτων της κέρδισαν πρόσφατα μια θέση ηγέτη ομάδας στο Πανεπιστήμιο του Sussex, μαθαίνει τι κάνει το μικροσκοπικό σύμπλεγμα νευρώνων που ελέγχει άμεσα τους μυς της προνύμφης όταν της επιτρέπεται να τρέξει ελεύθερα, εντελώς χωρίς συνεισφορά από τον εγκέφαλο ή τις αισθήσεις. Πώς αναζητά τροφή το ζώο όταν είναι αποκομμένο από πληροφορίες για τον έξω κόσμο;
Η απάντηση είναι ότι κινείται σύμφωνα με ένα πολύ συγκεκριμένο μοτίβο τυχαίων κινήσεων, ένα εύρημα που ενθουσίασε την Berni και τον συνεργάτη της David Sims, καθηγητή θαλάσσιας οικολογίας στο Marine Biological Association στο Πλύμουθ, στο Ηνωμένο Βασίλειο. Το σκουλήκι συμπεριφέρεται ακριβώς όπως ένα ζώο που μελετά ο Sims για περισσότερα από 25 χρόνια — έναν καρχαρία.
Στη νευροεπιστήμη, το συνηθισμένο σχήμα για την εξέταση συμπεριφοράς είναι ότι ο εγκέφαλος λαμβάνει εισροές, τις συνδυάζει με αποθηκευμένες πληροφορίες και, στη συνέχεια, αποφασίζει τι θα κάνει στη συνέχεια. Αυτό αντιστοιχεί στις δικές μας διαισθήσεις και εμπειρίες, επειδή εμείς οι άνθρωποι σχεδόν πάντα ανταποκρινόμαστε σε αυτό που αισθανόμαστε και θυμόμαστε.
Αλλά για πολλά πλάσματα, χρήσιμες πληροφορίες δεν είναι πάντα διαθέσιμες και για αυτά μπορεί επίσης να συμβαίνει κάτι άλλο. Κατά την αναζήτηση του περιβάλλοντός τους, οι καρχαρίες και μια ποικιλία άλλων ειδών, συμπεριλαμβανομένων των προνυμφών μύγας φρούτων, μερικές φορές προεπιλέγουν το ίδιο μοτίβο κίνησης, έναν συγκεκριμένο τύπο τυχαίας κίνησης που ονομάζεται Lévy walk. Αυτό το κοινό χαρακτηριστικό υποδηλώνει ότι η εξέλιξη μπορεί να έχει εξοπλίσει τα νευρικά συστήματα ώστε να δημιουργούν αυθόρμητα ένα θεμελιώδες μοτίβο κίνησης, μια λύση που λειτουργεί καλύτερα από οποιαδήποτε άλλη στρατηγική για μια τυφλή αναζήτηση.
Η ιδέα έχει προκαλέσει συζητήσεις στους τομείς της οικολογίας και της συμπεριφοράς των ζώων για περισσότερες από δύο δεκαετίες. Το έργο του Berni και του Sims φέρνει τώρα το φαινόμενο σταθερά στη σφαίρα της νευροεπιστήμης και καθιστά δύσκολο να αγνοηθεί η υπόθεση για τη σημασία του.
Ο Lévy Walks on the Wild Side
Όταν ο Σκωτσέζος βοτανολόγος Ρόμπερτ Μπράουν παρατήρησε το τυχαίο τίναγμα των κόκκων γύρης στο νερό το 1827, το όνομά του ήταν μόνιμα παντρεμένο με τον πιο διάσημο τύπο τυχαίας κίνησης. Ένα σώμα σε κίνηση Brown κινείται σε τυχαίες κατευθύνσεις για τυχαίες αποστάσεις ξανά και ξανά. Η κατανομή των τυχαίων αποστάσεων είναι Gaussian, ή κανονική:πέφτουν συμμετρικά γύρω από μια μέση τιμή — και, πολύ σημαντικό, κανένα μήκος βήματος δεν αποκλίνει σε μεγάλο βαθμό από το μέσο όρο. Η κίνηση Brown περιγράφει πολλά φυσικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένης της διάχυσης.
Το 1937, ωστόσο, ο Γάλλος μαθηματικός Paul Lévy περιέγραψε έναν δεύτερο τύπο τυχαίας κίνησης. Σε αυτό, η κατανομή των τυχαίων αποστάσεων ακολουθεί έναν νόμο ισχύος και έχει μια χαρακτηριστικά μακριά δεξιά ουρά. Αυτό σημαίνει ότι τα μήκη των περισσότερων κινήσεων συγκεντρώνονται γύρω από το μέσο όρο, αλλά ορισμένες κινήσεις πηγαίνουν πολύ, πολύ μακρύτερα. Ο πρωτοπόρος του φράκταλ Benoit Mandelbrot, πρώην μαθητής του Lévy's, ονόμασε αυτή την κατανομή των μηκών βημάτων Lévy walk (ή πτήση Lévy) το 1982.
Εκείνη την εποχή, μερικοί βιολόγοι άρχισαν να εξερευνούν την πιθανή χρησιμότητα αυτού του μοτίβου για να περιγράψουν φυσικές συμπεριφορές, επειδή ο περίπατος του Lévy θυμίζει πολύ το μονοπάτι ενός ζώου που εξερευνά ενδελεχώς ένα χώρο και μετά ξεπροβάλλει για να εξερευνήσει έναν άλλο. Ωστόσο, η ιδέα έγινε γνωστή μόνο το 1996, όταν ο Γκάντι Βισβανάθαν και οι συνεργάτες του πρότειναν ότι οι πτήσεις με άλμπατρος ήταν μια βόλτα με τον Lévy.
«Το αρχικό μου κίνητρο, ως Ph.D. φοιτητής», είπε ο Βισβανάθαν, τώρα καθηγητής φυσικής στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Ρίο Γκράντε ντο Νόρτε στη Βραζιλία, «ήταν στην πραγματικότητα να κατανοήσει καλύτερα την «ελεύθερη βούληση». Ως φυσικός, ήθελε να ψάξει για στατιστικούς νόμους που περιέγραφαν τα φαινομενικά των ανθρώπων απροσδιόριστη συμπεριφορά, αλλά δεν είχε χρήσιμα ανθρώπινα δεδομένα να εξετάσει. Όταν προέκυψε η ευκαιρία να αναλύσει δεδομένα πτήσης από άλμπατρος — πουλιά που πετούν ελεύθερα πάνω από τον ανοιχτό ωκεανό αναζητώντας τροφή — το πήρε με ευγνωμοσύνη.
Ο Βισβανάθαν έλαβε μια κατανομή των χρόνων πτήσης που προέρχονται από αισθητήρες υγρού/στεγνού που κόπηκαν στα πόδια των πουλιών. Όταν ένας αισθητήρας ήταν βρεγμένος, σήμαινε ότι ένα πουλί έτρεχε στις θάλασσες. όταν ξεράθηκε, το πουλί ήταν σε πτήση. Τα δεδομένα αποκάλυψαν μια κατανομή Lévy των χρόνων πτήσης. Δημοσιεύτηκε στο Nature το 1996, το εύρημα κέντρισε το ενδιαφέρον των οικολόγων και οδήγησε τον Βισβανάθαν να εξερευνήσει τη δυνητική του σημασία.
Δουλεύοντας με μια ομάδα φυσικών που περιλάμβανε τον Marcos da Luz του Ομοσπονδιακού Πανεπιστημίου της Parana και τον Ernesto Raposo στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Pernambuco στη Βραζιλία, ο Viswanathan δημοσίευσε μια θεωρητική μελέτη το 1999 που έδειξε τη σημασία των περιπάτων Lévy με την αναζήτηση τροφής. Όταν η τροφή διανέμεται σε αραιά μπαλώματα που μπορούν να αναγεννηθούν γρήγορα και ένα ζώο δεν έχει αισθητηριακή καθοδήγηση για το πού βρίσκεται το φαγητό, το Lévy walks είναι η μαθηματικά βέλτιστη στρατηγική αναζήτησης για την τυφλή ανακάλυψη ενός γεύματος.
Η εφημερίδα προκάλεσε ένα επίπεδο διαμάχης που εξακολουθεί να εκπλήσσει τον Βισβανάθαν. Οι μαθηματικές ιδέες υιοθετήθηκαν από ορισμένους οικολόγους και φυσικούς που ενδιαφέρονται για τη συμπεριφορά των ζώων, αλλά άλλοι τις απέρριψαν κατηγορηματικά. «Εκ των υστέρων», είπε, «Έχω την αίσθηση ότι αυτός ο τρόπος σκέψης… ήταν πολύ συγκλονιστικός για ορισμένους ερευνητές».
Ο τομέας απέκτησε γρήγορα τη φήμη του διχασμένου και διχασμένου από παθιασμένα επιχειρήματα. Η χρησιμότητα του Lévy walks υποστηρίχθηκε περαιτέρω από θεωρητική εργασία, όπως μια μελέτη που έδειξε ότι ήταν η καλύτερη στρατηγική τυφλής αναζήτησης όταν ο στόχος ήταν σπάνιος και πιο αργός από τον ερευνητή - ένα σενάριο σχετικό με αρπακτικά που αναζητούν θήραμα, επικονιαστές που αναζητούν λουλούδια και ζευγαρώνουν πλάσματα που αναζητούν συντρόφους. Αλλά οι εμπειρικές αποδείξεις ότι οι μετακινήσεις πολλών ειδών ταιριάζουν με αυτό το θεωρητικό πλαίσιο άργησαν να έρθουν:οι ζωολόγοι χρειάζονταν πιο ολοκληρωμένες και λεπτομερείς παρατηρήσεις των κινήσεων των άγριων ζώων και οι μαθηματικοί χρειάζονταν πιο εκλεπτυσμένες μεθόδους για την ανάλυση τέτοιων δεδομένων.
Ένας οικολόγος που εμπνεύστηκε για δράση από την ιδέα του Lévy walk ήταν ο Sims. Εκείνη την εποχή προσπαθούσε να χαρτογραφήσει τις κινήσεις των ψαριών ως βοήθημα για τη διατήρηση της θάλασσας. Σκέφτηκε, «Θέλω πραγματικά να το δοκιμάσω σε καρχαρίες που κολυμπούν» — ένα είδος που είχε κινδυνεύσει μετά από πολλά χρόνια κυνηγιού για το λάδι, το κρέας και τα πτερύγια του.
Οι καρχαρίες περιπλανώνται σε τεράστιες εκτάσεις του ωκεανού για να βόσκουν κομμάτια πλαγκτόν - όχι σε αντίθεση με ένα άλμπατρος στα φτερά που αναζητά κοπάδια ψαριών. Εάν μια βόλτα με τον Lévy ήταν εμφανής στο μονοπάτι ενός καρχαρία, μπορεί να σημαίνει ότι το ζώο εξερευνούσε αντί να τρώει σε πλαγκτόν. Και ο Sims σκέφτηκε ότι η διορατικότητα θα μπορούσε να τον βοηθήσει να κατανοήσει καλύτερα τις κινήσεις των καρχαριών και να βρει πώς να προστατεύσει τα ζώα από την αλιεία.
Το πρόβλημα που αντιμετώπισε ήταν να πάρει αρκετά δεδομένα. Για να ανιχνεύσουν έναν περίπατο Lévy, οι ερευνητές πρέπει να παρακολουθούν κάθε κίνηση που κάνει ένα ζώο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σήμερα, τα συστήματα GPS μπορούν να παρακολουθούν με ακρίβεια τις κινήσεις αντικειμένων με δυνατότητα ραδιοφώνου, όπως τα κινητά μας τηλέφωνα. Αλλά στα τέλη της δεκαετίας του 1990, ο Sims παρακολουθούσε τους καρχαρίες που κολυμπούσαν παρακολουθώντας από μια βάρκα όταν αναστάτωσαν την επιφάνεια, πράγμα που σήμαινε ότι έβλεπε μόνο ένα μικρό κλάσμα των κινήσεων των πλασμάτων. Και οι καρχαρίες που έβλεπε ήταν σχεδόν βέβαιο ότι τρέφονταν ανάμεσα σε μπαλώματα πλαγκτόν — όχι περιπλανώμενοι στους περιπάτους του Lévy.
Έτσι ο Sims κατέφυγε στο να μαρκάρει τους καρχαρίες. Ένας αισθητήρας πίεσης σε μια ετικέτα συνδεδεμένη στο πτερύγιο ενός καρχαρία κατέγραψε το βάθος κολύμβησης του ζώου σε διαστήματα ενός δευτερολέπτου καθώς ο καρχαρίας κινούνταν πάνω και κάτω στη στήλη του νερού. Σε έναν προγραμματισμένο χρόνο, η ετικέτα διαχωρίστηκε από τον καρχαρία, ανέβηκε στην επιφάνεια και μετέδωσε το αρχείο δεδομένων της σε έναν δορυφόρο.
Το μοτίβο αυτών των κάθετων κινήσεων ήταν ένα κλασικό περικομμένο περπάτημα Lévy. (Περικοπή, δηλαδή, με καθαρά μαθηματική έννοια:Σε έναν τέλειο περίπατο Lévy, θα υπήρχε μη μηδενική πιθανότητα ο καρχαρίας να κάνει περιστασιακά ένα βήμα ισοδύναμο με το να κολυμπήσει στον Άρη.) Ο Sims εντυπωσιάστηκε τόσο πολύ, κοίταξε τα δεδομένα παρακολούθησης που είχε για τους μπλε καρχαρίες και τα ηλιόψαρα του ωκεανού, επίσης, έγραψε στους συναδέλφους και πήρε συγκρίσιμα δεδομένα που περιγράφουν δερμάτινες χελώνες, πιγκουίνους και τόνους. Όλοι τους έδειξαν βόλτες στον Lévy σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό.
Ο Sims και οι συνεργάτες του υποθέτουν ότι πολλά ζώα εξελίχθηκαν για να χρησιμοποιούν αυτό το μοτίβο αναζήτησης όταν δεν μπορούσαν ούτε να αισθανθούν ούτε να θυμηθούν πού βρισκόταν το φαγητό. «Οι κινήσεις του Lévy προκύπτουν όταν το ζώο δεν έχει πραγματικά ιδέα», είπε ο Nick Humphries, υπολογιστικός βιολόγος και μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Sims.
Αυτή η περιγραφή ισχύει για τους καρχαρίες στη μέση του ωκεανού. «Ο Ατλαντικός Ωκεανός είναι λίγο πολύ μια έρημος», είπε ο Χάμφρις. «Υπάρχουν μπαλώματα τροφίμων, αλλά είναι αραιά. Η απόσταση μεταξύ του τελευταίου εμπλάστρου τροφής και του επόμενου είναι πολύ πέρα από το αισθητήριο εύρος». Είναι επίσης ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον όπου η μνήμη είναι άχρηστη. Είναι ακριβώς ο τύπος περιβάλλοντος όπου πιθανότατα θα είχε εξελιχθεί μια αναζήτηση που βασίζεται στο Lévy.
Σε μια περίληψη των ευρημάτων τους στο Φύση Το 2008, οι Sims, Humphries και οι συνάδελφοί τους έδειξαν ότι οι κινήσεις των καρχαριών και άλλων θαλάσσιων αρπακτικών ποικίλλουν ανάλογα με το αν έψαχναν για τροφή (όταν έκαναν βόλτες με τον Lévy) ή εν μέσω φαγητού (όταν επικρατούσε η τυχαιότητα του Brown). Η δουλειά τους υποστήριξε την αρχική ιδέα του Sims ότι ο καθορισμός του είδους της κίνησης μπορεί να αποκαλύψει εάν ένα ψάρι κατανάλωνε τροφή ή αν το εξερευνούσε.
Κατά ειρωνικό τρόπο, το έγγραφό τους έφτασε μόνο μήνες μετά από μια μελέτη που συνυπογράφουν οι Viswanathan, da Luz και Raposo έδειξε ένα καταστροφικό λάθος στην αρχική μελέτη άλμπατρος του Viswanathan. Οι υγροί/στεγνοί αισθητήρες στους οποίους βασίστηκαν δεν ήταν στεγνοί μόνο όταν τα πουλιά πετούσαν:Ήταν επίσης στεγνοί όταν τα άλμπατρος κάθονταν στις φωλιές τους. Μερικές από τις μεγαλύτερες "πτήσεις" στο σύνολο δεδομένων μπορεί να ήταν στην πραγματικότητα παρατεταμένες επισκέψεις στις φωλιές των πουλιών. Η μελέτη επέκρινε επίσης ορισμένες αναλυτικές τεχνικές και ισχυρίστηκε ότι τα άλμπατρος δεν κάνουν τελικά περιπάτους Lévy και ότι δεν ήταν σαφές εάν πολλά είδη το έκαναν.
Ο Sims αναγνωρίζει ότι τα αντικρουόμενα χαρτιά «βάζουν τους ανθρώπους σε αιχμή». Αλλά το έργο του χρησιμοποίησε πιο σύγχρονες μαθηματικές μεθόδους για να αποδείξει ότι ένα ολόκληρο θηριοτροφείο θαλάσσιων αρπακτικών κάνει τον Lévy βόλτες. Και εκ των υστέρων, το χαρτί του Sims ήταν ένα σημείο καμπής στον τομέα. Σύμφωνα με τον Raposo, «επέστησε την προσοχή πολλών επιστημόνων που εργάζονται στην περιοχή στη χρήση πιο ισχυρών και σύγχρονων στατιστικών τεχνικών εμπειρικής ανάλυσης δεδομένων της κίνησης των ζώων». Αυτές οι βελτιωμένες μέθοδοι διέλυσαν τις αμφιβολίες σχετικά με το εάν τα ζώα κάνουν ποτέ βόλτες με τον Lévy. "Ο όγκος των δεδομένων είναι συντριπτικός", είπε ο da Luz.
Οι Sims και Humphries επισκέφτηκαν ξανά τα άλμπατρος σε μια μεταγενέστερη μελέτη το 2012. Δουλεύοντας με πιο εξελιγμένες συσκευές εντοπισμού GPS, διαπίστωσαν ότι τα άλμπατρος δεν έκαναν βόλτες με Lévy ενώ έψαχναν για τροφή πάνω από ρηχά νερά, όπου μπορεί να είχαν περισσότερες οπτικές ή οσφρητικές πληροφορίες για να τους καθοδηγήσουν . Αλλά όταν πέταξαν πάνω από βαθύτερα νερά, τα πουλιά υιοθέτησαν στην πραγματικότητα τις αναζητήσεις του Lévy.
Οι βόλτες Lévy θεωρούνται πλέον ως ένα μοτίβο κίνησης που μπορεί να παράγει ένα νευρικό σύστημα απουσία χρήσιμων αισθητηριακών ή μνημονικών πληροφοριών, όταν είναι η πιο συμφέρουσα στρατηγική αναζήτησης ενός ζώου. Φυσικά, πολλά ζώα μπορεί να μην χρησιμοποιήσουν ποτέ έναν περίπατο Lévy:Εάν μια πολική αρκούδα μπορεί να μυρίσει μια φώκια ή ένα τσιτάχ μπορεί να δει μια γαζέλα, τα ζώα είναι απίθανο να συμμετάσχουν σε μια τυχαία στρατηγική αναζήτησης. "Περιμένουμε ότι η προσαρμογή για τις βόλτες του Lévy θα εμφανιστεί μόνο εκεί που προσφέρουν πρακτικά πλεονεκτήματα", είπε ο Viswanathan.
Για τον Berni, τον Sims και τον Humphries, η κατάσταση είναι λιγότερο οριστική:Αν και οι βόλτες με τον Lévy δεν έχουν ακόμη τεκμηριωθεί σε πολλά είδη, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι πολύ λίγα είδη έχουν παρατηρηθεί σωστά για να δικαιολογήσουν δηλώσεις σχετικά με το πόσο συνηθισμένα μπορεί να είναι.
Εσωτερική ή Εξωτερική καθοδήγηση
Η συνεχιζόμενη συνεργασία μεταξύ Sims και Berni με τη γενετικά τροποποιημένη Drosophila οι προνύμφες προέκυψαν από την επόμενη συζήτηση που κατέκλυσε το πεδίο, η οποία αφορούσε αν οι βόλτες του Lévy είναι προσαρμοστικά, εγγενή χαρακτηριστικά. Είναι το Lévy walks μια στρατηγική συμπεριφοράς που εξελίχθηκε επειδή έκανε τα ζώα καλύτερα στο να βρίσκουν ό,τι χρειάζονταν; Ή μήπως οι βόλτες του Lévy εμφανίζονται μόλις ένα ζώο ψάχνει επειδή οι πόροι και οι πληροφορίες του κόσμου ακολουθούν αυτήν τη διανομή;
Ορισμένα είδη πιθήκων, για παράδειγμα, κάνουν βόλτες ο Lévy όταν εξερευνούν, αλλά φαίνεται να χρησιμοποιούν τις αισθήσεις και τις αναμνήσεις τους για να ταξιδεύουν μεταξύ των πόρων τροφίμων που διανέμονται με αυτόν τον τρόπο. Επομένως, οι πίθηκοι δεν δημιουργούν τους περιπάτους Lévy ούτε τους χρησιμοποιούν για τυφλές αναζητήσεις.
Ο Andy Reynolds, θεωρητικός φυσικός στο Rothamsted Research στο Ηνωμένο Βασίλειο, σημειώνει ότι οι κατανομές Lévy έχουν βρεθεί σε διάφορα βιολογικά και φυσικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένων των ταξιδιών των ανοσοκυττάρων Τ στον εγκέφαλο, των λειτουργιών των ενδοκυτταρικών μορίων και της αερομεταφερόμενης διασποράς των σπόρων και σπόρια. "Η εικόνα είναι σχεδόν σίγουρα πλουραλιστική, καθώς κανένας μηχανισμός δεν μπορεί να εξηγήσει όλες τις παρατηρήσεις", είπε ο Reynolds.
Για παράδειγμα, ο Reynolds πιστεύει ότι οι βόλτες του Lévy των άλμπατρος «φαίνεται ότι είναι ένα τυχαίο υποπροϊόν της πλοήγησης με οσφρητικό σήμα - των πουλιών που ακολουθούν τη μύτη τους». Υποψιάζεται ότι οι κινήσεις των αερομεταφερόμενων αρωμάτων είναι η αληθινή πηγή της διανομής Lévy. (Ο Sims λέει ότι ορισμένες παρατηρήσεις είναι ασυμβίβαστες με αυτήν την υπόθεση, κυρίως η διάκριση μεταξύ των διαφορετικών αναζητήσεων των άλμπατρος πάνω από ρηχά και βαθιά νερά.) Ο τρόπος για να διευθετηθεί το θέμα, λέει ο Reynolds, είναι να διαταραχθεί προσωρινά η όσφρηση ορισμένων πτηνών. δείτε αν εξαφανίζονται τα μοτίβα Lévy. Εν ολίγοις, η πειραματική επιστήμη πρέπει να ξεπεράσει την επιστήμη της παρατήρησης που έχει κυριαρχήσει στο πεδίο.
Αυτό ακριβώς αποφάσισαν να κάνουν οι Sims και Berni στη μύγα των φρούτων. Κλείνοντας τον εγκέφαλό του και τυχόν αισθητήρια κανάλια, θα μπορούσαν να προσδιορίσουν εάν ένας μηχανισμός στις προνύμφες που παρήγαγε ο Lévy περπατά απουσία πληροφοριών για τον κόσμο.
Ο Sims λέει ότι όταν άρχισε να σκέφτεται πώς να αντιμετωπίσει τα μηχανιστικά υπόβαθρα του Lévy walks, είχε την τύχη να διαβάσει την εργασία του Berni το 2012 που περιέγραφε πόσο γενετικά αδρανοποιούσε τους εγκεφάλους της Drosophila Οι προνύμφες δεν τους εμπόδισαν να εξερευνήσουν το περιβάλλον τους:Ένα μικρό σύμπλεγμα νευρώνων στο νευρικό μυελό που τρέχει κάτω από την πλάτη της προνύμφης θα μπορούσε να ελέγξει τους μύες του ζώου χωρίς καθοδήγηση από τον εγκέφαλο. «Συνειδητοποίησα ότι οι μέθοδοί της ήταν ακριβώς αυτές που χρειαζόμασταν για να αρχίσουμε να δοκιμάζουμε αυτή την ιδέα του εγγενούς έναντι του εξωγενούς», είπε ο Sims.
Όπως συνέβη, ο Berni είχε επίσης αρχίσει να ενδιαφέρεται για την αναζήτηση τροφής και ο Lévy περπατά και ήθελε να συνεργαστεί με κάποιον στον τομέα. Το 2013, ο Sims ταξίδεψε στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, όπου εργαζόταν τότε ο Berni. «Συναντηθήκαμε για ένα πολύ καλό γεύμα», θυμάται. Το πέτυχαν και συμφώνησαν να συνεργαστούν.
Ο Berni εκτράφηκε νέες μύγες φρούτων και κατασκεύασε πολύ μεγαλύτερες αρένες άγαρ για να εκτελέσει πολύ μεγαλύτερα πειράματα παρακολούθησης. Οι πρώτες της μελέτες για την κίνηση των προνυμφών ήταν παρόμοιες με τη μέθοδο του Sims να παρακολουθεί έναν καρχαρία από μια βάρκα. τώρα χρειαζόταν να ακολουθήσει τα ζώα καθώς περιφέρονταν σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις.
Όταν οι Sims και Humphries ανέλυσαν τα αποτελέσματα του Berni το 2015, διαπίστωσαν ότι οι κανονικές προνύμφες που τοποθετήθηκαν σε μια έκταση από άγαρ που δεν περιείχε τροφή περιστασιακά κινούνταν με τρόπο που προσέγγιζε το περπάτημα Lévy. Αλλά οι βόλτες του Lévy εξακολουθούσαν να ανιχνεύονται ακόμη και όταν ο εγκέφαλος και οι αισθήσεις των ζώων ήταν απενεργοποιημένες. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το νευρικό κέντρο δημιουργεί εγγενώς το μοτίβο. "Ουάου - ξενυχτήσαμε!" είπε ο Sims.
Το έγγραφο που προέκυψε δημοσιεύτηκε τον περασμένο Νοέμβριο στο eLife , όπου έτυχε θερμής υποδοχής από τους κριτικούς. Ένας από αυτούς ήταν ο Adam Calhoun, ένας νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ο οποίος επαινεί τη μελέτη. Λέει ότι η βιολογία της αναζήτησης τροφής έχει αναδειχθεί ως σοβαρή ανησυχία για τους νευροεπιστήμονες μόνο την τελευταία δεκαετία. Η άποψή του ήταν ότι «δεν υπάρχουν αισθητηριακές πληροφορίες και παράγουν έναν νόμο ισχύος - αυτό είναι πραγματικά υπέροχο. Δημιουργούν ένα Lévy walk ως βασική κατάσταση.»
Ο Βισβανάθαν περιγράφει το έργο καταπληκτικό. «Το ερώτημα δεν είναι πλέον αν αλλά πότε τα ζώα εκμεταλλεύονται τις βόλτες του Lévy. Επίσης, η εγγενής γενιά μπορεί να έχει μόνο εξελικτική προέλευση.»
Ο Ρέινολντς, όμως, δεν είναι ακόμα σίγουρος. «Τα αποτελέσματα παρέχουν τα ισχυρότερα στοιχεία μέχρι στιγμής για την εγγενή γενιά μοτίβων κίνησης που μοιάζουν με τον Lévy», είπε, αλλά προειδοποίησε ότι «μένει να δούμε αν η συμπεριφορά του Lévy στο περπάτημα είναι ένα εξελιγμένο χαρακτηριστικό αυτού του ζώου». P>
Ο Μπέρνι τώρα προσπαθεί να αποδείξει αυτό ακριβώς. «Εργαζόμαστε για το ποια κυκλώματα δημιουργούν αυτές τις εναλλαγές μεταξύ των ευθειών και των στροφών», είπε. Για να γίνει αυτό, απομονώνει τα νευρικά συστήματα των προνυμφών και τα τοποθετεί κάτω από ένα μικροσκόπιο. Επειδή οι γενετικά τροποποιημένοι νευρώνες τους λάμπουν όταν είναι ενεργοί, μπορεί να παρακολουθήσει τα μοτίβα που τρεμοπαίζουν οι νευρώνες που πυροδοτούνται. "Παράγουν ρυθμούς αυθόρμητα χωρίς να τους έρχονται αισθητηριακές εισροές", είπε, "και μπορούμε να δούμε αυτούς τους ρυθμούς συμπεριφοράς των κινητικών νευρώνων που είναι ισοδύναμοι με αυτό που είναι το συμπεριφορικό αποτέλεσμα."
Η Berni και η ομάδα της ερευνούν επίσης τι δημιουργεί την κατανομή Lévy των μηκών βαδίσματος. Σε συνεργασία με την υπολογιστική νευροεπιστήμονα Julijana Gjorgjieva και τη μαθηματικό Marina Wosniack στο Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα Εγκεφάλου στη Φρανκφούρτη, κατασκευάζουν μοντέλα υπολογιστών του νευρωνικού δικτύου. Ελπίζουν ότι ένα τέτοιο μοντέλο θα τους επιτρέψει να διερευνήσουν πώς εξωτερικά αισθητήρια σήματα ή οδηγίες από τον εγκέφαλο αλλάζουν το εγγενές μοτίβο δραστηριότητας που διέπει τη βασική συμπεριφορά μιας προνύμφης.
Το εργαστήριο του Berni διεξάγει επίσης περαιτέρω πειράματα συμπεριφοράς στα οποία οι προνύμφες διασχίζουν πλάκες άγαρ με διάστικτες διαφορετικές διατάξεις τροφής. Όταν υπάρχουν κομμάτια τροφής, συμβαίνουν ενδιαφέρουσες συμπεριφορικές μεταβάσεις:Όπως οι καρχαρίες που κινούνται μέσα ή πέρα από τα σύννεφα του ωκεάνιου πλαγκτόν, οι προνύμφες μετακινούνται μέσα και έξω από το Lévy walks.
Walking the Science Forward
Υπάρχουν άλλα πειραματόζωα που οι νευροεπιστήμονες θα μπορούσαν να παρακολουθήσουν για τη συμπεριφορά του Lévy στο περπάτημα. Τα στοιχεία δείχνουν ότι οι νηματώδεις και ορισμένα σαλιγκάρια λάσπης χρησιμοποιούν αυτή τη στρατηγική αναζήτησης. Ο Sims και ο Berni αναρωτιούνται πώς αυτές οι ιδέες μπορούν να διερευνηθούν σε σπονδυλωτά όπως τα ποντίκια και τα ψάρια ζέβρα. Ο Χάμφρις αναρωτιέται εάν απλώς ζητώντας από κάποιους προπτυχιακούς φοιτητές να ψάξουν για κάτι κρυμμένο σε μια παραλία μπορεί να αποκαλύψει το χαρακτηριστικό μοτίβο.
Οι συγκρίσεις της συμπεριφοράς του Lévy με τα πόδια μεταξύ των ειδών θα μπορούσαν να αποδειχθούν συναρπαστικές. Ο Μπέρνι αναρωτιέται εάν διαφορετικά ζώα καταλήξουν στη συμπεριφορά με διαφορετικούς τρόπους, «ή υπάρχει κάποια αρχή νευρωνικής πυροδότησης ή νευρωνικής δραστηριότητας ή νευρωνικής συνδεσιμότητας που στην πραγματικότητα δημιουργεί τον ίδιο τύπο χαρακτηριστικών σε διαφορετικά ζώα;» Η ιδέα ότι τα μαθηματικά για μια βέλτιστη στρατηγική τυφλής αναζήτησης μπορεί να ενσωματωθούν στην ίδια τη δομή ενός νευρικού συστήματος μοιάζει με μια ερώτηση που πρέπει να απαντηθεί.
Προς το παρόν, ωστόσο, οι Sims και Humphries απομακρύνονται ως επί το πλείστον από τη βασική επιστήμη του φαινομένου για να επικεντρωθούν ξανά στις εργασίες διατήρησης:Θα χρησιμοποιήσουν τις βόλτες Lévy μαζί με άλλα εργαλεία για να ταξινομήσουν τη συμπεριφορά των καρχαριών. Αλλά ο Berni ελπίζει ότι άλλοι νευροεπιστήμονες θα εμπνευστούν για να αναζητήσουν γεννήτριες αυτών των μοτίβων κίνησης κάτω από οτιδήποτε άλλο κάνει ο εγκέφαλος.
«Το πεδίο ανακαλύπτει κάτι πάνω στο οποίο μπορούν πραγματικά να εργαστούν», είπε για τους νευροεπιστήμονες. «Μετά μένουν και το εξερευνούν για λίγο, προτού προχωρήσουν και αναζητήσουν κάτι άλλο». Πρόσθεσε με ένα χαμόγελο, «Με λίγο Lévy τρόπο».
