Мексиканские прыгающие бобы используют стратегию случайного блуждания

Мексиканские прыгающие бобы были диковинкой для многих любознательных детей, и да, они действительно «прыгают» благодаря наличию крошечных личинок моли внутри семенных коробочек. Согласно недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review E физиками из Сиэтлского университета, эти прыжки могут помочь личинкам мотылька найти тень, чтобы выжить в жаркие дни. И прыжковые движения, кажется, следуют стратегии случайного блуждания, чтобы сделать это.

Понятие случайного блуждания частично основано на физической концепции броуновского движения.

Эта концепция восходит к 1827 году, когда учёный по имени Роберт Браун изучал частицы пыльцы, плавающие в воде, под микроскопом. Он заметил странное нервное движение и подумал, что пыльца могла быть живой. Но когда он повторил эксперимент с частицами пыли, которые, как он знал, не были «живыми», он всё равно увидел «дрожащее» движение.

Браун так и не определил, что вызвало движение, но это сделал Альберт Эйнштейн в статье 1905 года, в которой он стремился подтвердить существование атомов и молекул. Соответствующее открытие Эйнштейна заключалось в том, что молекулы в жидкости, такой как вода, будут случайным образом перемещаться и сталкиваться с другими мелкими частицами, взвешенными в жидкости, такими как пыльца или пыль, вызывая «дрожание», которое Браун наблюдал примерно 80 лет назад.

Можно представить себя, идущим по прямой. Каждый раз, когда делается шаг, нужно подбросить монету. Если это орёл, то необходимо сделать шаг вперёд; если это решка, то сделать шаг назад. Поскольку результат каждого подбрасывания монеты не зависит от всех остальных, всегда есть равные шансы, что она выпадет орлом или решкой при каждом подбрасывании. Это означает, что будущая конечная позиция не зависит от исходной начальной позиции — отсюда и термин «случайное блуждание».

С тех пор эта концепция была адаптирована для моделирования колебаний фондового рынка, популяционной генетики (в частности, генетического дрейфа) и возбуждения нейронов в мозге, среди других применений. А во время Второй мировой войны случайные броуновские блуждания использовались для моделирования расстояния, которое сбежавший заключённый преодолеет за заданное время, поскольку это может быть эффективной стратегией поиска, особенно в небольшой густонаселенной местности.

А теперь начинается история о мексиканских прыгающих бобах. Бобы на самом деле представляют собой семенные коробочки кустарника, произрастающего в Мексике, и более тесно связаны с молочаем, чем с бобовыми, несмотря на то, что в просторечии известны как бобы. Бабочки откладывают яйца на свисающие семенные коробочки весной, когда кустарник цветёт. Когда яйца вылупляются, новые личинки зарываются в стручки и начинают поедать семена. Тем временем стручки созревают и падают на землю, разделяясь на три меньших сегмента. И превращаются в то, что обычно называют мексиканскими прыгающими бобами. Личинки всё ещё находятся внутри (они могут выживать там месяцами), периодически скручиваясь и раскручиваясь, и когда их головы ударяются о стенки стручка, бобы «подпрыгивают». Они больше прыгают, когда температура начинает повышаться, а прямые солнечные лучи могут убить личинок.

Основная гипотеза состоит в том, что бобы прыгают, чтобы переместиться в более прохладное, затенённое место для получения возможности выжить достаточно долго для того, чтобы достичь стадии куколки. Как только взрослая бабочка выходит из семенной коробочки, она обычно живёт всего несколько дней, потому что таков жизненный цикл. Предыдущие исследования определили идеальный диапазон температур, при котором личинки начинают прыгать. Боб, который был подвержен воздействию температур в диапазоне 20-30° по Цельсию, является наиболее активным по сравнению с прыгающим бобом при более высоких или более низких температурах.

Другое исследование классифицировало три основных типа движения: кувыркание, перекатывание и прыжки, причём прыжки были наиболее распространёнными (87 процентов). Девон Макки и Паша Табатабай из Сиэтлского университета хотели развить эту более раннюю работу для количественного описания статистического поведения прыжков. Макки и Табатабай купили несколько мексиканских прыгающих бобов у коммерческого онлайн-поставщика и хранили их при комнатной температуре в отдельных контейнерах. Затем они построили плоскую платформу для записи с регулируемой температурой из поверхностей с электрическим подогревом, покрытых алюминиевым листом, чтобы обеспечить равномерное рассеивание тепла, и листом белой бумаги поверх алюминия для контраста изображения. Инфракрасный термометр отслеживал температуру, удерживая её в пределах этого «наилучшего диапазона», чтобы обеспечить наибольшую активность. Затем они записывали прыжки в течение часа или около того, чтобы собрать данные о положении каждого из 37 бобов, использованных в эксперименте, и на основе этих данных создали компьютерную симуляцию для описания различных траекторий.

Почти все прыжки бобов происходили в течение 10 секунд, а их траектории соответствовали случайному блужданию независимо от степени трения между бобами и плоской поверхностью платформы. Но была ли это самая эффективная стратегия для бобов, чтобы избежать прямого солнечного света?

Когда Макки и Табатабай сравнили случайное блуждание с менее случайным паттерном движения, они обнаружили, что хотя альтернативный паттерн позволяет бобам быстрее находить тень, только небольшой части бобов это удаётся. При использовании стратегии случайного блуждания бобам потребовалось немного больше времени, чтобы найти тень, но у них было гораздо больше шансов преуспеть в своих поисках и, следовательно, выжить. «Эти результаты показывают, что диффузионное движение (случайное блуждание) мексиканских прыгающих бобов не оптимизируется для быстрого поиска тени», — заключили авторы. «Скорее, мексиканские прыгающие бобы используют стратегию, которая сводит к минимуму шансы никогда не найти тень, когда тени мало».