Сегодня - 09.12.2019

Кусай меня лаконично: новосибирские биологи ищут закономерности в охотничьем поведении грызунов

12 ноября 2019

Мышевидные грызуны демонстрируют охотничье поведение, типичное для специализированных хищников, — к такому выводу пришли сотрудники Института систематики и экологии животных СО РАН. Для анализа поведенческих реакций зверьков ученые использовали метод сжатия данных, основанный на применении архиваторов и позволяющий находить любые закономерности в любых текстах. Статья об этом опубликована в журнале Entropy

Жанна РезниковаНесколько лет назад сотрудники ИСиЭЖ СО РАН обратили внимание на то, что некоторые зерноядные и даже зеленоядные грызуны проявляют себя как хищники: активно охотятся на насекомых. В частности, полевая мышь в лабораторных экспериментах бесстрашно убивает и лакомится даже такой опасной и агрессивной добычей, как рыжие лесные муравьи. «Эксперименты показали, что охотничье поведение грызунов организовано в стереотип. Под ним мы понимаем поведенческую последовательность, состоящую из устойчиво повторяющихся элементов, например: “преследует — атакует — хватает — умерщвляет”. В экскрементах и желудках разных видов грызунов регулярно находят останки беспозвоночных, однако до сих пор не было известно, охотятся ли зверьки на активных животных или собирают погибших или малоподвижных. Для того чтобы проверить гипотезу о способности грызунов к активной охоте, мы решили изучить виды с разными типами питания (четыре вида хомячков, два вида скальных полевок, полевую мышь и серую крысу) и сравнить со специализированным насекомоядным — обыкновенной бурозубкой, которую приняли за эталон облигатного хищника», — рассказывает заведующая лабораторией поведенческой экологии сообществ ИСиЭЖ СО РАН профессор, доктор биологических наук Жанна Ильинична Резникова.
 
Жанна Резникова пояснила, что поведение бывает облигатное и факультативное. Облигатное — значит, обязательное, без которого животное не выживет. Сюда относятся видовые стереотипы ухаживания и спаривания, которые представляют собой строгую, выверенную последовательность действий для привлечения партнера. Это касается и пищевого поведения. Бурозубка — облигатный хищник, который живет тем, что ловит и убивает беспозвоночных (насекомых, моллюсков, червей) и даже мелких позвоночных животных. Жизнь облигатного хищника полностью зависит от того, насколько эффективно он расправится со своей жертвой. 
 
Факультативное поведение не подвержено строгому отбору, и оно изменчиво. Животное может преследовать потенциальную добычу или вовсе не заинтересоваться ею, придерживаться одного рациона или временно перейти на другой. «Когда мы говорим о факультативных поведенческих стереотипах, то имеем в виду не только то, что они вариативны сами по себе, но и то, что они вариативно проявляются в популяции — не у всех особей, а лишь у части популяции. Исследуя отношение к подвижной добыче у грызунов с зерноядным, зеленоядным и смешанными типами питания, мы имели дело с заведомо факультативным охотничьим поведением», — уточняет исследовательница.
 
Чтобы понять, из каких элементов складывается охотничье поведение, биологи изучают грызунов в лабораторных условиях. Животных помещают в прозрачную арену, опускают туда безопасную добычу (таракана) и проводят видеосъемку. Запись длится с момента, когда зверек заметил добычу, до того, как он ее схватил. После этого из видеозаписи вычленяют элементарные поведенческие акты, и каждому из них присваивается буквенное обозначение. Таким образом создается поведенческий «алфавит». При описании охотничьего поведения получилось около двадцати букв. Например, (Q) — преследование добычи бегом или (S) — спокойным шагом; (E) — захват добычи лапами; (W) — укус. Эти четыре элемента — ключевые, без них реализация охотничьего стереотипа невозможна. 
 
Эксперимент в ИСЭЖ СО РАН
   Эксперимент в ИСЭЖ СО РАН
 
Кроме них есть дополнительные элементы, присутствующие не во всех стереотипах: такие как принюхивание (D), перехват добычи (R), перенос добычи в зубах (G). Были выделены еще «шумовые» элементы, не влияющие на совершение стереотипа, например «стойка» (I), «движение назад» (U), «прыжок» (J), «чистка» (X) и некоторые другие. Получившиеся записи последовательных поведенческих актов — этограммы — представляют собой биологические «тексты», сложность которых можно оценить и сравнить у разных видов.
 
Для оценки сложности этограмм в работе применялся метод сжатия данных (Data Compression Method), разработанный одним из соавторов статьи — главным научным сотрудником Института вычислительных технологий СО РАН профессором, доктором технических наук Борисом Яковлевичем Рябко. Метод основан на сочетании идей теории информации (Колмогоровской сложности) и теоретических подходов математической статистики. Суть метода в том, что он оценивает сложность символьных последовательностей, сжимая их архиватором, и в конечном итоге позволяет улавливать любые закономерности в тексте.
 
«Необходимость в появлении нового метода была вызвана тем, что исследователи часто сталкиваются с задачей количественно оценить характеристики “текста” (в том числе искусственного) на основе небольшого числа параметров, — комментирует Жанна Резникова. — Это особенно актуально именно для биологических “текстов”, таких как последовательности ДНК или этограммы. Когда архиватор сжимает файлы, он ищет закономерности. Если за определенным элементом с большой долей вероятности последует другой, текст оценивается как более предсказуемый и, соответственно, менее сложный. Мы попытались с такой меркой подойти к этограммам разных видов грызунов».
 
Если во время охоты хищник производит лишние действия, велика вероятность того, что он упустит добычу. А чем более лаконично и целенаправленно его поведение, тем больше вероятность, что охота закончится удачно. «Можно провести аналогию с цирковым артистом. Если гимнаст во время выступления под куполом цирка лишний раз взмахнет рукой или ногой, его поведение станет чуть более сложным, чем требуется, и это может грозить артисту падением с большой высоты. Представьте, что мы записали в виде текста действия двух артистов, один из которых делает всё четко и правильно, а второй иногда ошибается. Чтобы количественно сравнить их поведение и понять, где лежит опасная грань, нам нужно составить алфавит их поз и основных движений, проанализировать видеозаписи и потом сжать полученные буквенные последовательности архиватором. Мерой сложности будет являться соотношение исходного файла и сжатого. Чем больше изначально в полученном “тексте” закономерностей, тем лучше сожмется файл, чем меньше — тем, соответственно, хуже», — поясняет Жанна Резникова.
 
Исследователи обнаружили, что «алфавиты» охотничьего поведения почти одинаковы у всех видов грызунов, участвующих в эксперименте, но существенно различаются соотношения элементов в стереотипах. Семь видов грызунов демонстрировали упорядоченные стереотипы с хорошо предсказуемыми переходами между элементами, в которых архиватор легко находил закономерности. То есть уровень сложности поведенческого текста у зерноядных и зеленоядных животных оказался, как это ни удивительно, сходен с таковым у облигатного хищника — бурозубки. У грызунов, в отличие от насекомоядного, стереотип охотничьего поведения проявляется факультативно — полностью, но не у всех особей. Иными словами, может охотиться только часть популяции, а остальные никак не реагируют на добычу. Например, в популяции полевых мышей “охотников” примерно 80 %, а среди разных видов полевок — 30—40 %. 
 
Монгольские хомячки за охотой на насекомых
   Монгольские хомячки за охотой на насекомых
 
Наиболее сложное и тем самым наименее предсказуемое охотничье поведение продемонстрировала серая крыса, которая является генералистом, то есть питается любой пищей, включая растительную и животную, самого разного происхождения. В ее действиях ученые нашли меньше закономерностей и больше различных шумовых элементов. 
 
Кроме того, они впервые выявили у представителей разных систематических групп интересные поведенческие адаптации, связанные с умерщвлением добычи. Например, полевые мыши доводят жертву до смерти серией быстрых последовательных укусов, то есть, можно сказать, искусывают насмерть. Представители рода эверсмановых хомячков хватают жертву и наносят ей один-два, реже три точных укуса, обездвиживая и практически умерщвляя ее. «В отличие от них хомячок Кэмпбелла обездвиживает насекомое, поворачивая его в лапах и быстро обкусывая конечности. Такой прием обращения с добычей описан для грызунов впервые и, по-видимому, является проявлением более специализированного охотничьего поведения», — отмечает Жанна Резникова. 
 
Метод сжатия данных может служить универсальным ключом к поиску закономерностей в биологических текстах. В данном случае он помог понять, что у грызунов есть два пути развития охотничьего поведения: путь лаконичного, упорядоченного, хорошо предсказуемого стереотипа, сходный с таковым у насекомоядных видов, и путь, характерный для генералиста, когда эффективность достигается за счет большого количества не всегда закономерных действий. «Можно сказать, что у многих видов грызунов, принадлежащих к разным подсемействам, при охоте поведение складывается так же, как и у крупного преследующего хищника, например гепарда, — говорит Жанна Резникова. — Мы выявили, что зеленоядные и зерноядные виды не просто охотятся, а делают это с безупречной точностью. Получается, под шкуркой грызуна скрывается профессиональный с эволюционной точки зрения хищник. Метод оценки сложности символьных последовательностей позволил нам это вычленить и показать количественно». 
 
Исследовательница уточняет, что хищничество у грызунов было обнаружено еще в 1970-е годы. Например, кузнечиковые, или скорпионовые, хомячки профессионально охотятся не только на насекомых, но даже на скорпионов и почти не чувствительны к их яду. Но это — специализированные хищники, а в данной работе охотничье поведение впервые изучалось у мышевидных грызунов. 
 
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (17-04-00702 и 18-29-03005) и программ ФНИ государственных академий наук на 2013—2020 годы. Среди соавторов работы: старший научный сотрудник ИСиЭЖ СО РАН кандидат биологических наук Софья Николаевна Пантелеева, научный сотрудник ИСиЭЖ СО РАН кандидат биологических наук Ян Владимирович Левенец, аспирантка того же института Анна Алексеевна Новиковская, а также сотрудники Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН: доктор биологических наук Наталия Юрьевна Феоктистова, доктор биологических наук Алексей Васильевич Суров и младший научный сотрудник Анна Владимировна Гуреева.  
 
В дальнейшем ученые планируют охватить большее количество видов грызунов, чтобы составить более полное представление о разнообразии видовых адаптаций и приблизиться к картине эволюции охотничьего поведении млекопитающих. 
 
Юлия Клюшникова
 
Фото: Галины Азаркиной (1), Анны Новиковской (2), Наталии Феоктистовой (3, анонс)
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (2 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus