Черви учатся оптимизировать поиск пищи, меняя реакцию на социальные сигналы
Исследователи показали, как черви учатся оптимизировать свою поисковую активность, меняя реакцию на феромоны в окружающей среде, согласно отчёту, опубликованному в eLife.
Эти результаты — важный прогресс в области поведения животных, дающий новое понимание того, как сенсорные сигналы интегрируются для облегчения поиска пищи и навигации.
Поиск пищи — одна из самых важных, но сложных задач для животных, так как еда часто распределена неравномерно, а другие животные пытаются найти и потребить те же ресурсы.
Ключевой вопрос — как долго оставаться и использовать пищевой участок, прежде чем отправиться на поиски другого. Уход влечёт затраты на исследование новой территории, а остаток означает питание на участке, где ресурсы истощаются. Так как же животные понимают, когда уходить?
Естественные среды обитания обычно полны химических сигналов, таких как феромоны от других особей, и считается, что феромоны помогают животным ориентироваться в поиске пищи. Это означает, что им нужно знать, указывают ли феромоны на обильный пищевой ресурс или на уже истощённый. Чтобы получить эти знания, им нужно учиться на опыте.
«Было показано, что шмели учатся на основе положительной или отрицательной ассоциации с феромонами, полученной из их последнего опыта кормления, но верно ли это для других животных, неясно», — объясняет первый автор Мартина Даль Белло, постдок Массачусетского технологического института (MIT), Кембридж, США. «Мы хотели исследовать поисковое поведение червей Caenorhabditis elegans, потому что знаем, что они могут оценивать плотность популяции внутри пищевых участков с помощью феромонов, и что как феромоны, так и доступность пищи контролируют, когда черви решают перейти к новому пищевому ресурсу».
Команда начала с теста для оценки поведения червей, связанного с покиданием участка. Черви питались на небольшом участке с бактериями около пяти часов, на равном расстоянии от двух точек: одна — смесь феромонов, другая — контроль без феромонов. Черви покидали исходный участок в разное время; те, кто ушёл рано, с большей вероятностью направлялись к точке с феромонами, тогда как те, кто ушёл поздно, избегали феромонов.
Затем они хотели проверить, дают ли эти поведения какие-либо преимущества для выживания, поэтому разработали математическую модель для расчёта выгоды для червей от изменения их предпочтения к феромонам в неоднородной среде. В модели черви в уже занятом пищевом участке имеют три варианта: остаться на своём участке, перейти на другой занятый участок или рассеяться на незанятый участок. Модель показала, что стратегия, максимизирующая количество съеденной пищи червём, совпадает с тем, что они наблюдали в предыдущем эксперименте. Часть червей переключается в начале, покидая пищевой участок до его истощения и следуя феромонам, чтобы достичь другого занятого участка. Затем, когда пищевые участки истощаются, все черви рассеиваются в поисках других источников пищи. Эти поздние ушедшие избегают других истощённых участков, меняя своё предпочтение к феромонам на противоположное, потому что теперь они ассоциируют феромоны с истощённым пищевым участком.
Так как же черви узнают, что нужно изменить предпочтение к феромонам? Чтобы выяснить это, исследователи содержали червей в четырёх наборах условий: с пищей и феромонами; с феромонами, но без пищи; с пищей, но без феромонов; и без пищи и феромонов. Затем они наблюдали, как черви реагируют на смесь феромонов. Как и ожидалось, черви, которые провели время в присутствии и пищи, и феромонов, двигались к феромонной смеси, тогда как они избегали её, если привыкли к среде с феромонами, но без пищи. Как и у шмелей, черви учатся предпочитать феромоны на основе своего недавнего положительного или отрицательного опыта поиска пищи.
«Наше исследование объясняет, почему черви склонны покидать пищевые участки в разное время», — объясняет старший автор Джефф Гор, профессор физики в MIT. «Те, кто уходит рано, подвергаются воздействию феромонов, когда пищи много, и у них формируется положительная ассоциация с этими сигналами, что заставляет их снова искать их. Напротив, черви, которые уходят позже, когда пищи мало, ассоциируют феромоны с голодом и избегают феромонов, когда уходят с участка. В совокупности эти результаты показывают, что черви учатся адаптироваться к сенсорным сигналам в своей среде, чтобы оптимизировать потребление пищи во время её поиска».