Varje höst vänder monarkfjärilar över Kanada och USA sina färgglada vingar mot Rio Grande och migrerar mer än 2,000 miles till den relativa värmen i centrala Mexiko.

Resan, upprepad instinktivt av generationer av monarker, fortsätter även då deras antal har minskat på grund av förlust av deras enda larvalmatskälla-mjölkväv. Nu tror forskare att de har knäckt hemligheten hos de interna genkodade kompassmonarkerna för att bestämma sydvästriktningen att de ska flyga varje fall.

"Deras kompass integrerar två delar av informationen - tiden på dagen och solens position i horisonten - för att hitta sydlig riktning", säger Eli Shlizerman, biträdande professor vid University of Washington, som har gemensamma utnämningar i tillämpad matematik och elektroteknik avdelningar.

Medan arten av monarkfjärilens förmåga att integrera tiden på dagen och solens läge på himlen är känd från tidigare forskning, har forskare aldrig förstått hur monarkens hjärna tar emot och behandlar denna information. För studien ville forskarna modellera hur monarkens kompass är organiserad i sin hjärna.

"Vi ville förstå hur monarken bearbetar dessa olika typer av information för att ge detta konstanta beteende - flygande sydväst varje fall," säger Shlizerman.

Monarker använder sina stora, komplexa ögon för att övervaka solens position i himlen. Men solens position är inte tillräcklig för att bestämma riktningen. Varje fjäril måste också kombinera den informationen med tiden på dagen för att veta vart man ska gå. Lyckligtvis, som de flesta djur inklusive människor, har monarker en intern klocka baserat på det rytmiska uttrycket av nyckelgener.

Denna klocka upprätthåller ett dagligt mönster av fysiologi och beteende. I monarkfjärilen centreras klockan i antennerna, och dess information reser via neuroner till hjärnan.

Biologer har tidigare studerat de rytmiska mönstren i monarkantenner som styr den interna klockan, liksom hur deras sammansatta ögon dechiffrerar solens position i himlen. För studien, publicerad i tidningen Rapporter Cell, forskare registrerade signaler från antenn nerver i monarker som de överför klockinformation till hjärnan samt ljus information från ögonen.

Kortaste rutt är inte bäst

"Vi skapade en modell som inkorporerade denna information-hur antenn och ögon skickar denna information till hjärnan," säger Shlizerman. "Vårt mål var att mäta vilken typ av kontrollmekanism som skulle vara på jobbet i hjärnan och fråga om huruvida vår modell skulle garantera en fortsatt navigering i sydvästriktningen."

I deras modell, två neurala mekanismer-en hämmande och en excitator-kontrollerad signaler från klockgener i antennerna. Deras modell hade ett liknande system för att urskilja solens position baserat på signaler från ögonen. Balansen mellan dessa kontrollmekanismer skulle hjälpa monarkhjärnan att dechiffrera vilken riktning som var sydväst.

Baserat på deras modell framgår det också att när man gör kurskorrigeringar, tar inte monarkerna helt enkelt den kortaste svängen för att komma tillbaka på rutten. Deras modell innehåller en unik funktion - en separationspunkt som skulle kontrollera om monarken vände höger eller vänster mot huvudet i sydvästriktningen.

"Placeringen av denna punkt i monarkfjärilens visuella fält förändras under hela dagen," säger Shlizerman. "Och vår modell förutsäger att monarken inte kommer att korsa denna punkt när det gör en kurskorrigering för att gå tillbaka sydväst."

Baserat på deras simuleringar, om en monark kommer självklart på grund av vindstöd eller föremål i sin väg, kommer det att vända vilken riktning som inte kräver att den passerar separationspunkten.

Ytterligare studier skulle behöva bekräfta om forskarnas modell överensstämmer med hjärnanatom, fysiologi och beteende. Hittills verkar aspekter av deras modell, såsom separationspunkten, överensstämma med observerade beteenden.

"I försök med monarker vid olika tidpunkter på dagen ser du tillfällen där deras varv i kursjusteringar är ovanligt långa, långsamma eller slingrande", säger Shlizerman. "Det här kan vara fall där de inte kan göra en kortare vändning eftersom det skulle kräva att korsningen separeras."

Deras modell föreslår också en enkel förklaring varför monarkfjärilar kan vända kurs på våren och huvudet nordost till USA och Kanada. De fyra neurala mekanismerna som sänder information om klockan och solens position skulle helt enkelt behöva vända riktningen.

"Och när det händer, pekar kompassen nordost i stället för sydväst", säger Shlizerman. "Det är ett enkelt, robust system för att förklara hur dessa fjärilar generation efter generation-göra denna anmärkningsvärda migration."

Daniel Forger vid University of Michigan och James Phillips-Portillo vid University of Massachusetts är coauthors av studien, som finansierades av National Science Foundation och Washington Research Fund.

Källa: University of Washington

{youtube}8Y073TkHVf0{/youtube}

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon