Blacking and Swarm Research with Virtual Reality: Tyska forskare analyserar gräshoppor - Bild: Xpert.Digital
VR -forskning avslöjar nya strukturer i gräshoppor
Genombrott i gräshoppor: långvariga teorier motbevisade
Ökens gräshoppa har haft ett skrämmande rykte för bibliska tider. Med ravar på upp till 50 miljoner individer kan denna typ av insekt orsaka förödande skador genom att äta hela områden med nakna och därmed äventyra näringssäkerheten. Nu har forskare från University of Konstanz och Max Planck Institute för beteendebiologi fått banbrytande kunskap om organisationen av dessa svärmar och har motbevisat många års teorier. Med hjälp av innovativ virtual reality -teknik kunde forskarna visa att gräshopparsvärm är grundläggande annorlunda än tidigare antagits. Denna studie som publicerades i den berömda specialiserade tidskriften "Science" vänder tidigare förklarande modeller upp och ner och ger viktiga insikter som kan bidra till bättre förutsägelse och strid av gräshoppor.
Lämplig för detta:
Fenomenet med gräshoppor och deras globala betydelse
Ökengräshoppor (Schistocerca Gregaria) är bland de mest imponerande exemplen på kollektivt beteende i djurlivet. Flygningen som inte kan flyga, så kallade nymfer, lever initialt som lokala individer. Under vissa förhållanden samlas emellertid de för att bilda enorma raves och börja vandra - inte mållöst, utan i en samordnad rörelse, som om de kontrollerades centralt. Dessa enorma insekts kollektiv kan inkludera upp till 50 miljoner djur och därmed representera en av de största djurkollektiverna på vår planet.
Effekterna av sådana gräshoppor är förödande. Enligt forskarna hotar de försörjningen för omkring varje tionde person över hela världen. Ett konkret exempel på detta gav den enorma gräshopparpesten på Afrikas horn mellan 2019 och 2020, som förstörde jordbruksproduktionen och utlöste en hungersnöd. Den vetenskapliga forskningen av mekanismerna som leder till bildning och rörelse av sådana svärmar är därför inte bara av teoretiskt intresse, utan har också betydande praktisk betydelse för global näringssäkerhet.
Den tidigare teorin: gräshoppor som en "självdriven partikel"
I decennier har det kollektiva beteendet hos gräshoppor förklarats med hjälp av ett koncept från teoretisk fysik. I denna modell betraktas insekterna som ”självgående deltagare” (självstyrda partiklar), som anpassar deras positioner och rörelseriktningar på sina närmaste grannar. Denna teori antar att det är tillräckligt om individerna bara "kommer in i en rad" med sina direkta grannar för att skapa en sammanhängande rörelse över hela svärmen.
Ett annat centralt element i denna tidigare förklaring var antagandet att djurens densitet är en avgörande faktor för övergången av störd flottörrörelse. Enligt denna hypotes börjar övergången till en samordnad rörelse så snart det finns tillräckligt med djur i ett begränsat utrymme. Denna teori verkade så övertygande att den tjänade i decennier som en standardmodell för att förklara kollektiva rörelser i djurlivet.
Intressant nog hade tidigare forskning under ledning av Iain Couzin, som också är involverad i den aktuella studien, redan gett andra överraskande fynd om gräshoppornas svärm. Hans team upptäckte att kannibalism kan vara en drivande faktor för vandringsrörelserna - gräshopporna går framåt för att inte ätas bakifrån. Denna insikt indikerade redan att mer komplext beteende kunde spela en roll än bara fysiska reaktioner.
Den innovativa forskningsmetoden: Virtual Reality avslöjar Swarms hemligheter
För att bättre förstå de komplexa interaktionerna i gräshoppans krediter, forskargruppen kring Iain Couzin från Cluster of Excellence Collective vid University of Constance och Max Planck Institute for Behaviour Biology om en revolutionär strategi: Virtual Reality (VR). "Som är känt är det svårt att känna igen mekanismerna för interaktion i mobila grupper av djur," förklarar Couzin. "Individerna påverkar varandra och påverkas också av de andras beteende, i ett komplext samspel."
För att lösa detta problem utvecklade forskarna en sofistikerad VR -installation. Enskilda levande gräs placerades på en rörlig boll, liknande ett löpband så att de kunde röra sig fritt. Runt dem projicerade forskarna upp till 64 foto -realistiska virtuella gräshoppor, så att de verkliga insekterna trodde att de var i en naturlig svärm. Denna innovativa metod gjorde det möjligt för forskare att kontrollera exakt vilken information från det levande gräset som var tillgänglig - hur många andra djur var i omgivningen och i vilken riktning de var.
I ett särskilt avslöjande experiment placerade forskarna verkliga gräshoppor mellan två virtuella, tre dimensionella svärmar. Detta testarrangemang tillät dem att testa om djuren faktiskt reagerar på beteendet hos sina direkta grannar, som tidigare antagits, och skulle röra sig med dem som en enhetlig kross.
Överraskande resultat: Ett paradigmskifte i svärmforskning
Resultaten av experimenten var överraskande och i grunden ifrågasatte den tidigare teorin. I motsats till forskarnas förväntningar rörde sig de verkliga gräshopporna inte som en del av en stor, enhetlig svärm i samma riktning. Istället vände de sig i riktning mot en av de virtuella svärmarna och sprang specifikt till dem.
Denna observation visade forskarna att den så kallade "optomotoriska reaktionen" - en medfödd reflex som får gräshoppor att följa de sensoriska intryck av rörelse - inte är orsaken till den samordnade kollektiva rörelsen. I själva verket fann forskarna inga bevis för att gräshoppor anpassar sin position och rörelse baserat på sina grannar.
"Enskilda djur är inte partiklar," förklarar Iain Couzin. "Vi måste se gräshopporna som kognitiva, tillförordnade ämnen som observerar deras omgivningar och på denna grund fattar sina beslut vart de går nästa." Forskarna antar nu att utvecklingen av en svärm beror mycket mer på varje enskild gräshoppa än tidigare antagits.
Experimenten visade också att djuren ibland avviker från den gemensamma kursen, även om de hade två svärmar bredvid dem som sprang i samma riktning. Dessutom fann teamet inga bevis för att densiteten hos individer, som tidigare antagits, var den utlösande faktorn för svärmrörelsen.
Praktisk betydelse för att bekämpa gräshoppor
De nya resultaten har långtgående praktiska konsekvenser. En bättre förståelse av de grundläggande mekanismerna för svärmbildning och rörelse kan hjälpa till att förutsäga insekternas beteende och att utveckla effektivare strategier för att bekämpa gräsintervall.
Med tanke på det faktum att gräshoppor hotar försörjningen för alla tionde människor, bör vikten av denna forskning inte underskattas. De förödande effekterna av gräshopparpesten på Afrikas horn mellan 2019 och 2020, vilket ledde till skördefel och hungersnöd, illustrerar det brådskande behovet av bättre förutsägelse- och kontrollmekanismer.
Genom insikten att gräshoppor inte bara fungerar som en fysisk partikel, utan som enskilda kognitiva aktörer med sina egna beslut -att göra nya metoder för att kontrollera ravages öppnas. Istället för att uteslutande förlita sig på stora skala kontrollåtgärder, kan framtida strategier vara inriktade på att förstå och påverka individuella beslutsprocesser.
Lämplig för detta:
Framtida forskningsanvisningar och "Center for Visual Computing of Collective"
De banbrytande resultaten representerar endast början på en ny förståelse av kollektivt beteende. För att ytterligare främja detta forskningsområde initierade Iain Couzin i Constance ”Center for Visual Computing of Collective”. Detta centrum, som kommer att vara bland de mest moderna anläggningarna för att undersöka gruppbeteende, är avsett att observera djursvärmar i virtuella holografiska 3D -miljöer och analysera deras rörelser.
Samtidigt undersöker teamet kring Couzin också rumsligt beslut för olika djurarter. En studie som nyligen publicerades i PNA visar hur djur bearbetar komplexiteten i sin miljö genom att minska världen till successiva beslut mellan bara två alternativ. Dessa fynd indikerar att grundläggande geometriska principer kan förklara hur och varför djur rör sig som de gör - en metod som också kan tillämpas på förståelsen av gräshoppor.
En ny era i att undersöka kollektivt beteende
Forskningen från forskarna vid University of Konstanz och Max Planck Institute for Behavioural Biology markerar en vändpunkt för att förstå kollektivt beteende i djurlivet. Genom att ifrågasätta den länge etablerade teorin om ”självdrivna partiklar” öppnar de upp ett nytt perspektiv, gräshopporna och andra djur som enskilda beslutsfattare, vars kollektiva beteende är resultatet av komplexa kognitiva processer.
Användningen av innovativ virtual reality -teknik har visat sig vara nyckeln till framgång. Det gjorde det möjligt för forskarna att dechiffrera den tidigare ogenomträngliga komplexiteten hos djurkollektiviteter och få grundläggande insikter om organisationen av svärmar. Dessa fynd kunde inte bara revolutionera vår teoretiska förståelse av kollektivt beteende, utan erbjuder också praktiska lösningar för att bekämpa gräshoppor som hotar näringssäkerhet över hela världen.
Arbetet med teamet runt Iain Couzin, som redan har tilldelats den prestigefyllda Gottfried Wilhelm Leibniz -priset för sin forskning inom kollektivt beteende, understryker vikten av tvärvetenskaplig forskning vid gränssnittet mellan biologi, datavetenskap och fysik. Det visar imponerande hur modern teknik kan hjälpa oss att dechiffrera naturens fascinerande hemligheter och samtidigt utveckla praktiska lösningar för att pressa globala problem.
Lämplig för detta:
Din globala marknadsförings- och affärsutvecklingspartner
☑ Vårt affärsspråk är engelska eller tyska
☑ Nytt: korrespondens på ditt nationella språk!
Konrad Wolfenstein
Jag är glad att vara tillgänglig för dig och mitt team som personlig konsult.
Du kan kontakta mig genom att fylla i kontaktformuläret eller helt enkelt ringa mig på +49 89 674 804 (München) . Min e -postadress är: Wolfenstein ∂ xpert.digital
Jag ser fram emot vårt gemensamma projekt.
