动物的导航策略
2020/6/4 6:29:15 生物流BioStream

     动物的导航行为

     北美的帝王蝶会像鸟类一样南北迁徙,迁徙距离长达4000公里。更令人惊叹的是,帝王蝶的长距离迁徙并不是由一代帝王蝶完成的,三四代的帝王蝶在路上生命接力。

    

     帝王蝶的迁徙之路

     候鸟北极燕鸥的迁徙距离更长,从北极繁殖区迁徙至南极洲附近的海洋,然后再返回,全程长达70000公里。从北至南,跨越整个地球。

    

     北极燕鸥迁徙路径

     沙漠中的蚂蚁爬出巢穴,曲曲折折地去寻找食物。找到食物后,这些蚂蚁可以沿直线返回蚁穴。

    

     蚂蚁曲线出行,却可以直线返巢

     几乎所有的动物,都会有出行的需求,并且可以在出行中持续跟踪自身的位置,不至于迷失于路途。

     动物的大脑是否进化出通用的策略去导航呢?

     答案是肯定的。

     动物导航的两种策略

     出行中,输入动物大脑的信息分两类:外界信息和自身运动信息。相应地,导航策略也分为两类。

     依赖于外界信息的导航策略称为Allothetic Navigation,可直译为异源导航。顾名思义,异源导航所需的信息来自于动物身体之外,例如地标、声音、气味。这些异源的感觉信息被动物的感觉器官拾取,并被大脑整合,大脑借此估计自身的位置。

    

     高大的建筑常被人们用来导航

     依赖于自身运动信息的导航策略称为Idiothetic Navigation。Idiothetic源于希腊语,表面意思为“自我主张”。目前这种导航方式并没有通用的中文名字,我们暂且称之为自源导航。黑暗中,当外界感觉信息不可得时,动物只能利用自身运动产生的信息来导航。

    

     黑暗中,感觉信息不可得,动物只能运用自身信息来导航

     自源导航的信息产生于动物的运动。例如本体感觉信息,即大脑对身体各部位的位置感,前庭平衡感觉,运动速度和方向,以及感觉流(sensory fow)。

     感觉流是由动物运动产生的,感觉信息源的相对运动。例如光流。

    

     高速运动产生的光流

     因为感觉流也是有动物运动产生,因此也被归为自源导航信息。

     接下来,我们来看一下两种导航方式最具代表性的例子。

     自源导航的代表——路径整合

     路径整合是短距离旅程时最常用的导航方式,比如文章开头中的沙漠蚂蚁,曲线觅食,直线返巢,这在动物中随处可见。

    

     蚂蚁的路径整合

     路径整合是典型的自源导航方式,利用自身运动产生的信号来,不断地跟踪、更新自身当前的位置。位置的更新是通过估算相对于出发点的位移来完成的,路径整合利用的信息也很容易想到,即动物运动的方向和速度。

    

     路径整合

     路径整合是通过估算相对于起始点的位移来更新自身的位置,既然是估算,就会有误差。多次的估算误差会累积,因此路径整合一般不适用于需要多次估算的长距离旅程,但它在估算量少的短距离旅程中可起重要作用。

     在长距离导航中,动物常常会利用地标。

     异源导航的代表——地标

     地标在空间中位置固定,并且醒目可见,在导航中常被用来作为地图的参考点。动物利用地标和目标的相对位置关系来规划路径。

    

     灯塔常常在导航中作为地标

     广义的地标不止是视觉上的,还可以是听觉或嗅觉上的标志。

     例如,太平洋鲑鱼会利用气味洄游至出生地。太平洋鲑鱼在淡水河段出生,它们会顺着河流进入太平洋,在那里生长。鲑鱼会洄游至淡水出生地繁殖,从太平洋至高海拔的淡水河流,鲑鱼导航的一个“地标”就是鲑鱼出生地的气味。

    

     太平洋鲑鱼的艰难洄游之旅

     地标有时候也不止一个,可以是很多个。一系列的地标会形成一种名为路径跟随(route following)的导航方式。例如,帽贝虹吸虫(limpet Siphonaria alternata)出门觅食时,会在爬过的路径留下粘液做标记。类似的路径标记方式也是人类进入迷宫般的森林时,常用的导航策略。

    

     人们常常做记号,以防止迷路

     总结

     自源信息和异源信息是动物导航所必备的线索。在真实的情景下,动物的导航并不是局限于一种导航方式,两种导航方式经常相互辅助、相互补充。例如,动物会根据地标的信息纠正内源导航累积的错误。

     动物会综合自源和异源的信息,在大脑中生成一张外界物理世界的内在认知地图。

    

     空间认知地图

     在这张空间认知地图中,动物自身的位置,以及其他重要事物的位置都标志其中,大脑可以灵活地运用认知地图,来实现觅食、繁殖、迁徙、玩耍等各式各样的出行目的。

    源网页  http://weixin.100md.com
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