每年秋天，橫跨加拿大和美國的帝王蝶將其色彩斑wings的翅膀轉向里奧格蘭德州，並向墨西哥中部相對溫暖的地方遷移了2,000多英里。
由於失去了他們唯一的幼蟲食物來源 - 馬利筋，他們的數量一直在急劇下降，這一歷程由幾代君主本能地重複著。 現在，科學家們認為他們已經破解了內部的，基因編碼的指南針君主用於確定每個秋天他們應該飛行的西南方向的秘密。
“他們的指南針整合了兩條信息 - 一天中的時間和太陽在地平線上的位置 - 找到向南的方向，”華盛頓大學助理教授Eli Shlizerman說道，他在應用數學和聯合任命電氣工程系。
雖然從以前的研究中可以了解到君主蝴蝶整合時間和太陽在天空中的位置的能力，科學家們從未理解君主的大腦是如何接收和處理這些信息的。 對於這項研究，研究人員想要模擬如何 君主的指南針 在大腦中組織起來。
“我們希望了解君主如何處理這些不同類型的信息以產生這種不斷的行為 - 每年秋天向西南飛行，”Shlizerman說。
君主用他們龐大而復雜的眼睛來監視太陽在天空中的位置。 但太陽的位置不足以確定方向。 每隻蝴蝶還必須將這些信息與一天中的時間相結合，以了解去哪裡。 幸運的是，像包括人類在內的大多數動物一樣，君主擁有一個基於關鍵基因節律表達的內部時鐘。
這個時鐘保持著生理和行為的日常模式。 在帝王蝶中，時鐘以天線為中心，其信息通過神經元傳播到大腦。
生物學家之前研究過控制內部時鐘的君主天線中的節奏模式，以及它們的複眼如何破譯太陽在天空中的位置。 該研究發表在期刊上 報告細胞研究人員記錄了來自君主的天線神經信號，因為他們將時鐘信息傳輸到大腦以及來自眼睛的光信息。
最短的路線不是最好的
“我們創建了一個模型，其中包含了這些信息 - 天線和眼睛如何將這些信息發送到大腦，”Shlizerman說。 “我們的目標是模擬大腦內部控制機制的類型，然後詢問我們的模型是否能保證西南方向的持續航行。”
在他們的模型中，兩個神經機制 - 一個抑制和一個興奮控制信號來自天線中的時鐘基因。 他們的模型有一個類似的系統，可以根據眼睛的信號辨別太陽的位置。 這些控制機制之間的平衡將有助於君主大腦破譯哪個方向是西南方向。
根據他們的模型，似乎在進行航線修正時，君主不會簡單地採取最短的轉彎回到路線上。 他們的模型包括一個獨特的特徵 - 一個分離點，可以控制君主在西南方向右轉或左轉。
“這一點在君主蝴蝶的視野中的位置在一整天都在變化，”Shlizerman說。 “而且我們的模型預測，當朝向西南方向進行航線修正時，君主不會越過這一點。”
根據他們的模擬，如果一個君主因路徑中的一陣風或物體而偏離路線，它將轉向任何方向都不需要它穿過分離點。
其他研究需要確認研究人員的模型是否與君主蝴蝶腦解剖學，生理學和行為一致。 到目前為止，他們的模型的各個方面，如分離點，似乎與觀察到的行為一致。
“在一天中不同時間對君主進行的實驗中，你確實會看到他們在路線修正過程中異常長，慢或蜿蜒的情況，”Shlizerman說。 “這些情況可能是他們不能做一個較短的轉彎，因為它需要越過分離點。”
他們的模型還提出了一個簡單的解釋，為什麼帝王蝶能夠在春天逆轉過程並向東北方向返回美國和加拿大。 傳輸有關時鐘和太陽位置信息的四種神經機制只需要反轉方向。
“當發生這種情況時，他們的羅盤指向東北而不是西南，”施羅澤曼說。 “這是一個簡單，強大的系統來解釋這些一代又一代的蝴蝶如何產生這種顯著的遷移。”
密歇根大學的Daniel Forger和馬薩諸塞大學的James Phillips-Portillo是該研究的共同作者，該研究由美國國家科學基金會和華盛頓研究基金資助。
資源： 華盛頓大學
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