Mechanical aspects of animal behaviour in biotechnological research
Mechanical aspects of animal behaviour in biotechnological research
Abstract
This work presents the results of field studies of defensive types of activity of wild reindeer in natural conditions on the Taimyr Peninsula. It has been established that when exposed to disturbance factors, animals increase their motor activity using their locomotor apparatus.
Individual demonstrative forms of defensive behaviour depicted on the gramophone record are described and classified. Animal responses to stimuli depend on the season of the life cycle, group size, and the presence of background stimuli. Based on the collected data, a mathematical model describing the physical aspects of defensive behaviour in reindeer has been developed.
The results may be applied in biological research, ecology, robotics, and military technology.
1. Введение
Поведение животных в ответ на внешние факторы является важным аспектом изучения биологии и экологии . Особенно интересным объектом для исследования являются дикие северные олени, обитающие в суровых условиях Арктики , . В настоящей работе рассматриваются оборонительные типы активности этих животных в естественной среде обитания на полуострове Таймыр. Целью данного исследования было выявление закономерностей оборонительного поведения оленей под воздействием различных факторов беспокойства, а также создание математической модели, описывающей физическую сторону их защитных реакций .
Для достижения поставленной цели были проведены полевые наблюдения, в ходе которых фиксировались и анализировались движения оленей при возникновении стрессоров. Полученные данные позволили описать и классифицировать отдельные демонстрационные формы оборонительного поведения, а также выявить зависимость реакций животных от сезонных изменений, размеров групп и наличия фоновых раздражителей .
На основании полученных результатов была разработана математическая модель , которая описывает физические аспекты оборонительного поведения северных оленей. Эта модель представляет собой систему уравнений, учитывающую перемещения центра массы тела и конечностей животного. Такая модель может оказаться полезной для применения в различных областях, включая биологию, экологию, робототехнику и разработку военных технологий.
В ходе выполнения исследования было поставлено три объемных задачи:
1. Сбор исходных данных, а именно результатов натурных наблюдений за дикими северными оленями на полуострове Таймыр;
2. Анализ и классификация полученных данных;
3. Разработка математической модели оборонительного типа активности. Дальнейшее изложение статьи будет посвящено рассмотрению методов исследования и полученным промежуточным результатам , а именно подробно будут рассмотрены первые две задачи.
2. Методы и принципы исследования
Натуральные объекты, такие как животные, обладают адаптивным поведением, которое позволяет им существовать в изменяющейся внешней среде. Механика архитектуры и топология репертуара локомоторного поведения дикого северного оленя были изучены в контексте оборонительного типа активности. Были рассмотрены варианты активно-оборонительных реакций и механики диких северных оленей в зависимости от их внешних факторов.
Исследование проводилось на территории России, где обитает популяция диких северных оленей (Rangifer tarandus). Наблюдения за животными осуществлялись в естественной среде обитания, что позволило получить данные о реальном поведении животных в условиях изменяющейся внешней среды.
В ходе исследования использовался метод натурных наблюдений, который включал в себя регистрацию поведенческих реакций животных на различные виды стрессовых факторов. Для сбора данных применялась методика кинограммы, которая позволила зафиксировать последовательность движений животных в различных ситуациях. Кинограмма — это метод регистрации последовательности движений животных. Она включает в себя съемку видеоматериала, который затем анализируется кадр за кадром. Это позволяет точно зафиксировать все этапы движения животных, начиная от начальной позиции и заканчивая конечной точкой маршрута.
На основе полученных данных были построены фазовые портреты, отражающие динамику передвижений стада в ответ на действие внешних раздражителей. Фазовый портрет представляет собой графическое изображение траекторий движения животных, показывающее, как меняется состояние системы (в данном случае — положение и движение животных) во времени.
Эти методы в комплексе позволили собрать обширный объем данных, необходимый для детального анализа поведения диких северных оленей и построения выводов о механизмах их адаптации к изменяющимся условиям внешней среды. Таким образом, комплексный подход к исследованию позволил получить глубокое понимание адаптивного поведения диких северных оленей.
3. Основные результаты
Адаптивное поведение натурного объекта, которое позволяет животным существовать в изменчивой внешней среде, связано с механиками, архитектурой и топологией. В частности, фазовые портреты и механики локомоторного репертуара поведения дикого северного оленя были исследованы в контексте оборонительного типа активности.
Выявлено, что у диких северных оленей оборонительный тип движения при действии фактора беспокойства всегда проявляется в подключении локомоторного аппарата и усилении двигательной активности. Выделенные и описанные отдельные демонстрационные формы представлены кинограммой (Рис. 1).
Рисунок 1 - Фазовые портреты и механики локомоторного репертуара поведения дикого северного оленя при оборонительном типе активности
Таблица 1 - Кинограмма поведения дикого северного оленя при оборонительном типе активности
Ряды кинограммы | Литера вариантности механик — фазовый портрет |
I. Пассивно-оборонительные реакции (выявление источника беспокойства) | A0 — животное лежит, свернувшись в клубок — типичная позиция отдыхающего оленя A1 — голова лежащего животного поднята над туловищем — первое проявление настороженности при отдыхе В0 — типичная поза пасущегося оленя В1–2 — корпус оленя остается в том же положении, что и при пастьбе, но голова поднята ниже средней линии тела – первое проявление настороженности при пастьбе В3 (или B2А) — животное стоит, выпрямив корпус, голова поднята над туловищем: вариант типичной позы настороженности, эта позиция, как правило, следует после положений: A1 — если при введении фактора беспокойства животное отдыхало (A1 → В3); В0 — если при введении фактора беспокойства животное паслось (В0 → В1-2 → В3) |
II. Пассивно-оборонительные реакции (выявление источника беспокойства) | 0 — животное стоит, слегка развернув корпус, голова поднята на уровне средней линии тела — слабое проявление настороженности 1 А, Б, В, Г, Д, Е, Ж — животное выпрямляет корпус 1 А, Б — голова поднимается последовательно — выше средней линии тела 1 В, Г, Д, Е, Ж — над туловищем |
III. Активно-оборонительные реакции (реакции защиты) | Единый фазовый портрет (вариантности механик нет) — легкий галоп или бег рысью, появляется, как правило, после позы настороженности |
IV. Активно-оборонительные реакции (реакции защиты) | Единый фазовый портрет (вариантности механик нет) — быстрый галоп — крайнее проявление оборонительного типа активности |
В ходе исследования было установлено, что поведение диких северных оленей подвержено воздействию различных стрессоров, среди которых выделяются следующие основные факторы:
Наземные раздражители: К ним относятся любые источники опасности, находящиеся на земле. В ответ на действие таких раздражителей животные проявляют активно-оборонительную реакцию, выражающуюся в быстром беге;
Летательные аппараты: Высота полета и активность летательных аппаратов оказывают значительное влияние на поведение оленей. При увеличении высоты полета животные увеличивают скорость движения и концентрируются ближе к центру убегающей группы, что является стратегией снижения риска для каждого отдельного члена стада ;
Пре-активность: Предшествующие события или условия, такие как предыдущие встречи с угрозами или состояние покоя перед возникновением стресса, также играют роль в формировании реакции животных.
Эти стрессоры вызывают у оленей активные оборонительные реакции, направленные на минимизацию рисков и максимальную защиту в условиях изменяющейся внешней среды.
Исследование показало, что у диких северных оленей оборонительный тип активности при действии фактора беспокойства всегда проявляется в подключении локомоторного аппарата и усилении двигательной активности. Выделенные и описанные демонстрационные формы представляют строго упорядоченную форму адаптивного, самосохранительного поведения в ответ на внешние вызовы.
Таким образом дана классификация реакций по степени возрастания интенсивности действия стрессора и уровня оборонительной активности — характер реагирования диких северных оленей на раздражитель зависит от:
а) сезона жизненного цикла животных;
б) размера испытуемой группы;
в) фоновых (естественных) раздражителей.
Каждый тип активности у животных имеет свой набор механик движения, который был использован для создания математической модели оборонительной активности северных оленей. Было выявлено, что способ передвижения животного зависит от характера его движений, таких как ходьба, бег, убегание, прыжки и разворот туловища.
4. Заключение
Проведенное исследование позволило глубже понять оборонительную активность диких северных оленей в их естественной среде обитания на полуострове Таймыр. Анализируя реакции животных на различные факторы беспокойства, мы выявили закономерности, влияющие на интенсивность и форму их оборонительного поведения. Эти данные позволили создать математическую модель, описывающую физические аспекты движения оленей в процессе защиты.
Проведенный анализ показал, что реакция животных на факторы беспокойства выражается в активации локомоторного аппарата и увеличении двигательной активности. Классифицировав отдельные формы оборонительного поведения, мы установили, что эти реакции зависят от сезона, размера группы и наличия естественных раздражителей. Подробное описание математической модели и ее применения в данную работу не вошло.
Исследование механических аспектов локомоторного репертуара диких животных также может стать ценным вкладом в развитие поведенческого искусственного интеллекта. Более глубокое понимание принципов движения и поведения животных поможет создавать более реалистичные и эффективные алгоритмы ИИ, которые найдут применение в робототехнике, автономной навигации и виртуальной реальности
. Кроме того, подобные разработки могут улучшить точность моделей поведения в игровых и симуляционных системах, делая их более интерактивными и правдоподобными.Таким образом, проведенное исследование подчеркивает важность комплексного подхода к изучению поведения животных, сочетающего биологические и технические методы, и закладывает основу для дальнейших междисциплинарных разработок в области биотехнологий и инженерии.