Αποκωδικοποίηση Συνομιλιών Spider με Μηχανική Μάθηση και Μικρόφωνα επαφής

Οι αραχνοειδείς γεννιούνται χορευτές. Μετά από εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης, πολλά είδη βασίζονται σε φανταχτερά πόδια για να επικοινωνήσουν τα πάντα, από τελετουργίες ερωτοτροπίας, εδαφικές διαμάχες, στρατηγικές κυνηγιού. Οι ερευνητές συνήθως παρατηρούν αυτές τις κινήσεις σε εργαστηριακές ρυθμίσεις χρησιμοποιώντας αυτά που είναι γνωστά ως δονόμετρα λέιζερ. Αφού στοχεύσει τη δέσμη φωτός του εργαλείου σε έναν στόχο, το δονόμετρο μετρά τις μικροσκοπικές συχνότητες δόνησης και τα πλάτη που εκπέμπονται από το φαινόμενο μετατόπισης Doppler. Δυστυχώς, το κόστος και η ευαισθησία τέτοιων συστημάτων συχνά περιορίζουν την ανάπτυξή τους στο πεδίο.

Για να βρει μια λύση για αυτό το μακροχρόνιο πρόβλημα, ένας διδακτορικός φοιτητής του Πανεπιστημίου της Νεμπράσκα-Λίνκολν συνδύασε πρόσφατα μια σειρά από μικροσκοπικά, φθηνά μικρόφωνα επαφής μαζί με ένα πρόγραμμα μηχανικής εκμάθησης επεξεργασίας ήχου. Έπειτα, αφού μάζεψε τα πράγματα, κατευθύνθηκε στα δάση του βόρειου Μισισιπή για να δοκιμάσει το νέο του σύστημα.

Τα αποτελέσματα του Noori Choi, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο


Βιολογία Επικοινωνιών


, υπογραμμίζουν μια προσέγγιση που δεν έχει ξαναδεί στη συλλογή των εξαιρετικά δύσκολα ανιχνεύσιμων κινήσεων των αραχνών σε δασικά υποστρώματα. Ο Τσόι πέρασε δύο καταιγιστικούς καλοκαιρινούς μήνες τοποθετώντας 25 μικρόφωνα και παγίδες σε τμήματα 1.000 τετραγωνικών ποδιών του δάσους και μετά περίμενε την τοπική άγρια ​​ζωή να κάνει τις δονητικές κινήσεις της. Στο τέλος, ο Choi έφυγε από την πολιτεία Magnolia με 39.000 ώρες δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων πάνω από 17.000 σειρών δονήσεων.

[Related:


Meet the first electric blue tarantula known to science


.]

Φυσικά, δεν ήταν όλες αυτές οι μουρμούρες οι αράχνες λύκου που ήθελε ο Τσόι. Τα δάση είναι δυνατά μέρη γεμάτα με ενεργά έντομα, φλύαρα πουλιά, κλαδιά δέντρων που θροΐζουν, καθώς και με τους εισβολικούς ήχους της ανθρώπινης ζωής σαν μηχανές αεροπλάνων. Αυτά τα ηχητικά κύματα απορροφώνται επίσης στο έδαφος ως δονήσεις και πρέπει να απομακρυνθούν από τους αραχνοειδείς στόχους των επιστημόνων.

«Το vibroscape είναι ένας πιο απασχολημένος χώρος σηματοδότησης από ό,τι περιμέναμε, επειδή περιλαμβάνει τόσο αερομεταφερόμενες όσο και μεταφερόμενες από το υπόστρωμα δονήσεις», δήλωσε ο Choi σε μια

πρόσφατο πανεπιστημιακό προφίλ

.

Στο παρελθόν, αυτή η διαδικασία ανάλυσης ήταν μια απογοητευτικά κουραστική, χειρωνακτική προσπάθεια που θα μπορούσε να περιορίσει σοβαρά τα πεδία έρευνας και δεδομένων. Όμως, αντί να ρίξει πάνω από ηχογραφήσεις περίπου 1.625 ημερών, ο Choi σχεδίασε ένα πρόγραμμα μηχανικής εκμάθησης ικανό να φιλτράρει τους ανεπιθύμητους ήχους απομονώνοντας ταυτόχρονα τους κραδασμούς από τρία ξεχωριστά είδη αράχνης λύκων:

Schizocosa stridulans

,

S. uetzi

και

S. duplex

.

Περαιτέρω ανάλυση έδωσε συναρπαστικές νέες γνώσεις για τις συμπεριφορές των αραχνοειδών, ιδιαίτερα μια επικάλυψη ακουστικής συχνότητας, χρόνου και χώρου σηματοδότησης μεταξύ των

S. stridulans

και

S. uetzi

αδελφό είδος. Ο Choi προσδιόρισε ότι και οι δύο παραλλαγές αράχνης λύκου περιόρισαν συνήθως τη σηματοδότησή τους για όταν βρίσκονταν στην κορυφή των απορριμμάτων των φύλλων και όχι στα συντρίμμια πεύκου. Σύμφωνα με τον Choi, αυτό σημαίνει ότι η ακίνητη περιουσία είναι σε τιμή για τις αράχνες.

“[They] μπορεί να έχουν περιορισμένες επιλογές για να διαλέξουν, γιατί αν επιλέξουν να σηματοδοτήσουν σε διαφορετικά μέρη, σε διαφορετικά υποστρώματα, μπορεί απλώς να διαταράξουν την όλη επικοινωνία και να μην πετύχουν τον στόχο τους, όπως να προσελκύσουν συντρόφους», ο Τσόι, τώρα μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Max Planck της Γερμανίας. Ινστιτούτο Συμπεριφοράς Ζώων,

είπε τη Δευτέρα

.

Επί πλέον,

S. stridulans

και

S. uetzi

φαίνεται να προσαρμόζουν τις μεθόδους επικοινωνίας τους ανάλογα με το πόσο συνωστισμένοι είναι ανά πάσα στιγμή και ποιος τους συνωστίζει.

S. stridulans

, για παράδειγμα, έτειναν να επιμηκύνουν τους έντονους κραδασμούς τους χορούς ερωτοτροπίας τους όταν εντόπιζαν κοντά αρσενικά ίδιου είδους. Όταν ένιωσαν κοντά

S. uetzi

ωστόσο, συχνά διαφοροποιούσαν ελαφρώς τις κινήσεις τους για να τους διαφοροποιήσουν από τα άλλα είδη, μειώνοντας έτσι την πιθανή σύγχυση ερωτοτροπιών.

Εκτός από το άνοιγμα εντελώς νέων μεθόδων παρατήρησης της συμπεριφοράς των αραχνοειδών, ο συνδυασμός μικροφώνων επαφής και ανάλυσης μηχανικής μάθησης του Choi θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει άλλους μια μέρα να παρακολουθούν τη συνολική υγεία ενός οικοσυστήματος παρακολουθώντας τους πληθυσμούς αραχνών.

«Αν και όλοι συμφωνούν ότι τα αρθρόποδα είναι πολύ σημαντικά για τη λειτουργία του οικοσυστήματος… αν καταρρεύσουν, ολόκληρη η κοινότητα μπορεί να καταρρεύσει», είπε ο Τσόι. “Κανείς δεν ξέρει πώς να παρακολουθεί τις αλλαγές στα αρθρόποδα.”

Τώρα, ωστόσο, η νέα μεθοδολογία του Choi θα μπορούσε να επιτρέψει μια μη επεμβατική, ακριβή και εξαιρετικά αποτελεσματική βοήθεια για την παραμονή στην κορυφή των καθημερινών κινήσεων των αραχνών.