 |
Zebracsíkok termofiziológiai vizsgálata: új magyarázat a zebracsíkok szerepére
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
123930 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Horváth Gábor |
| magyar cím |
Zebracsíkok termofiziológiai vizsgálata: új magyarázat a zebracsíkok szerepére |
| Angol cím |
Experimental Study of the Functions of Zebra Stripes: A New Thermophysiological Explanation |
| magyar kulcsszavak |
zebra, bögöly, hőérzékelés, termofiziológia, fénypolarizáció, gazdaállatkeresés, bögölytaszítás, bögölyvonzás, gazdaállat-parazita kölcsönhatás, hőkamera, polarimetria, kísérleti biológia |
| angol kulcsszavak |
zebra, horsefly, thermoreception, thermophysiology, light polarization, host finding, tabanid repellency, tabanid attraction, host-parasite interaction, thermocamera, polarimetry, experimental biology |
| megadott besorolás |
| Állati viselkedés, viselkedésökológia (Komplex Környezettudományi Kollégium) | 65 % | | Ortelius tudományág: Állattan | | Biológiai fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 35 % |
|
| zsűri |
Ökológia és evolúció 1 |
| Kutatóhely |
Biológiai Fizika Tanszék (Eötvös Loránd Tudományegyetem) |
| résztvevők |
Kretzer Balázs Dávid
Pereszlényi Ádám
Slíz Judit
Takács Péter
|
| projekt kezdete |
2017-10-01 |
| projekt vége |
2022-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
33.876 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
8.67 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A zebracsíkok adaptív hasznáról Galton (1851), Wallace (1867) és Darwin (1871) óta folyik vita, de a létező 9 elmélet közül még csak egy nyert kísérleti megerősítést: az, amelyik szerint a zebracsíkok vizuálisan taszítják a vérszívó cecelegyeket és bögölyöket. Nemrég kimutattuk, hogy a sötét gazdaállatok sokkal jobban vonzzák a bögölyöket, mint a világosak, továbbá az inhomogén (csíkos/foltos) mintázatúak bögölytaszítóak. E tények okai viszont eddig ismeretlenek voltak. Minderre itt egy új termofiziológiai magyarázatot adunk: A sötét s ezért napsütésben meleg kültakarójú gazdaállatokon a vérerek miatti testfelületi hőgrádiensek alapján a bögölyöknek könnyebb eret találniuk az egyéb zavaró hőgrádiensek hiánya miatt, és vérszívás közben gyorsabban repülhetnek el a gazdaállat ellenreakciói elől, mivel a melegebb testfelszíni mikroklíma okán a szárnyizmaik gyorsabban működnek. Az inhomogén mintázatú gazdaállatokon nehéz hőérzékeléssel véreret találni a csíkok/foltok pereménél föllépő, zavaró hőgrádiensek miatt. A világos gazdaállatokon pedig a testfelszín hőmérséklete még napsütésben sem elég nagy a menekülő elröppenést biztosító gyors szárnyizomműködéshez. Egyik célunk e termofiziológiai elmélet kísérleti tesztje bögölyökön, lovakon, marhákon, állatkerti zebrákon, és különböző optikai/hőmérsékleti tulajdonságú tesztfelületeken végzett terepi megfigyelésekkel, mérésekkel és kísérletekkel. Másik célunk kísérletileg ellenőrizni a zebracsíkok konvektív légörvények általi hűtését állító elméletet hőkamerás és Schlieren-technikás vizsgálatokkal, valamint gazdaállat-modellek termodinamikai mérésével.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás alapkérdései: Miért bögölyvonzóak a fekete gazdaállatok és -taszítóak a fehérek s a zebrák? Az új termofiziológiai munkahipotézisünk szerint a bögölyök vizuális távérzékeléssel keresik az optikai környezetükben a vérszíváshoz legmegfelelőbb termikus testfelszínű gazdaállatokat. Az ideális gazdaállat homogén sötét a bögölyök gyors szárnyizomműködésének kedvező, napsütésben magas testfelszíni hőmérséklet miatt. A homogén világos vagy inhomogén (csíkos/foltos) mintázatú gazdaállatokat azért nem támadják meg a vérszívó bögölyök, mert már távolról vizuálisan felismerhető a bögölyök szárnyizomműködéséhez kedvezőtlenül alacsony testfelületi hőmérsékletet biztosító világosságuk vagy a bögölyök hőérzékelésen alapuló érdetekciójához kedvezőtlenül inhomogén hőmérsékleteloszlású csíkosságuk/foltosságuk. A polarizáció-érzékelésüket pedig arra használják a bögölyök, hogy optikai környezetük nagyobb polarizációfokú céltárgyait keresve, biztosabban találják meg a napsütötte sötét gazdaállatokat a vérszíváshoz kedvezőtlenebb mikroklímájú árnyékosak helyett vagy a környezet vérszívásra alkalmatlan egyéb sötét foltjai helyett. Tehát nem azért nem szállnak a bögölyök a világos vagy inhomogén mintázatú gazdaállatokra, mert nem látják őket, hanem éppen ellenkezőleg, már messziről észlelik őket, de tudják, hogy a testfelszíni mintázatuk hőviszonyai kedvezőtlenek a vérszíváshoz, ezért nem landolnak rajtuk, ellentétben a napsütötte sötét gazdaállatokkal. Lovak és állatkerti zebrák hőkamerás mérésével és gazdaállatmodellek termodinamikai tanulmányozásával megerősítést vagy cáfolatot nyer a zebracsíkok okozta légörvények általi hűtésről szóló elmélet, amit kísérletileg még nem teszteltek.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A fő vizsgálandó probléma, a zebracsíkok másfél évszázados rejtélyének megoldása jelentős tudományos eredmény. Új elméletünk szerint, e rejtély megoldási kulcsa annak megválaszolása, hogy miért nem vonzódnak a bögölyök a csíkos/foltos gazdaállatokhoz. Az erre adott termofiziológiai magyarázatunk teljesen új megközelítésnek számít az irodalomban. Ugyancsak újdonságerejű a zebracsíkok konvektív légörvények általi állítólagos hűtő hatásának tervbevett kísérleti vizsgálata, mert az ezzel kapcsolatos elmélet csak egy aero- és termodinamikai spekulációra épül. Korábban nem vizsgálták, hogy milyen körülmények között és a zebrák mely testtájain alakulnak ki légörvények a csíkok miatt, s hogy azok tényleg hűtik-e az állatot. A zebracsíkok hasznáról alkotott korábbi 8 elmélet kvalitatív, sokszor puszta spekulációkra alapul és kísérleti adatokat nélkülöző megfontolások halmazának számít. Kutatási tervünk ezzel szemben két elméletet vesz részletes kísérleti vizsgálat alá. Ennek során pontos, számszerű érveket vagy ellenérveket fogunk szolgáltatni a zebracsíkok sokakat foglalkoztató rejtélyének két legfontosabb megoldási hipotézise mellett vagy ellen. E kvantitatív alapkutatási megközelítés újszerű és jelentős eredményekkel kecsegtet a zebracsíkok előnyeinek kutatása terén. Úgy a zebracsíkok bögölytaszításban megnyilvánuló adaptív előnyének új termofiziológiai magyarázata, mint a zebracsíkok hűtő hatását állító híres elmélet kísérleti igazolása vagy cáfolata nemzetközileg is úttörő jellegű, eredeti alapkutatásnak számít. Tervezett kutatásainkkal e sokakat érdeklő két tudományos problémát tisztázzuk, és a zebracsíkok rejtélyének másfél évszázados vitájához járulunk hozzá fontos kísérleti tények földerítésével. A csíkos gazdaállatok bögölytaszításával kapcsolatos eredményünk már konkrét gyakorlati alkalmazást is nyert: lovas szaküzletekben kaphatók olyan zebracsíkos lóruhák, melyek fekete vagy barna lovakra húzva kiküszöbölik a bögölytámadásokat. E praktikus megoldást mi javasoltuk. Rámutattunk arra is, hogy a kellően foltos kültakaró a zebracsíkokkal azonos mértékben bögölytaszító. Ebből kifolyólag, a bögölytámadások hasonlóan eredményesen csökkenthetők megfelelően foltos lóruhával is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Darwin és Wallace vitája óta, másfél évszázada nem ismert a zebrák csíkjainak evolúciós előnye. Korábban 8 különféle elmélet is született a zebracsíkok rejtélyének, hasznának magyarázatára, de eddig egyiket sem ellenőrizték kísérletileg. Nemrég amerikai kutatók és mi derítettük ki, hogy a zebracsíkok kialakulásának legfőbb szelekciós hajtóereje a vérszívó bögölyök elleni vizuális védelem: minél csíkosabb a gazdaállat, annál kevesebb bögölytámadás éri. Ezzel szoros összefüggésben az is kiderült, hogy minél világosabb a gazdaállat, annál kevesebb bögölyt vonz, de azért jóval többet, mint a csíkos, és minél sötétebb a gazdaállat, annál vonzóbb a bögölyöknek. E kísérleti tények magyarázata eddig váratott magára. Felállítottunk egy új termofiziológiai elméletet, ami megmagyarázza mindezt. Kutatási tervünkben ezen új elmélet jóslatait ellenőrizzük bögölyökkel, lovakkal, marhákkal, állatkerti zebrákkal, különböző optikai és hőmérsékleti sajátságú tesztfelületekkel folytatott terepi kísérletekkel, megfigyelésekkel, mérésekkel. Ellenőrizzük továbbá azon másik elméletet is, mely szerint a zebracsíkok haszna, hogy a miattuk keletkező légörvények hűtik a gazdaállatot. Kutatásunk végén választ kapunk azon, sokakat régóta érdeklő kérdésekre, hogy miért csíkosak a zebrák, miért bögölyvonzóak a fekete gazdaállatok és bögölytaszítóak a fehérek s a csíkosak. Korábbi eredményeink gyakorlati haszna, hogy azok alapján a lovakat a bögölyöktől védő csíkos lóruhákat terveztek, melyek már kaphatók. David Attenborough pedig a zebrák bögölytaszításával kapcsolatos eredményeinket megemlítette a zebrákról szóló filmjében. Tervezett kutatásainknak is várhatók hasonló alkalmazásai és médiavisszhangjai.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The adaptive benefits of zebra stripes have been disputed since Wallace (1867) and Darwin (1871), but among the 9 existing theories, only 1 is experimentally confirmed, namely the visual parasite (tsetsefly and horsefly) repellence of zebra stripes. We demonstrated that dark host animals are much more attractive to horseflies than bright ones, and animals with striped/spotted fur patterns are horsefly-repellent. The reasons of these are unknown. Here we present a new thermophysiological explanation: On hosts with dark and thus in sunshine warm coat, horseflies can easier find blood vessels by means of vein-generated temperature gradients due to the lack of other disturbing heat gradients, and during blood sucking they can fly away faster from the backlash of hosts, because due to the warmer microclimate their wing muscles can function quicker. On hosts with inhomogeneous coats it is difficult to find veins by thermoreception because of disturbing heat gradients at the borders of stripes/spots. The surface temperature of bright hosts is not high enough, even in sunshine, to ensure the quick functioning of wing muscles necessary to a successful escape from the host’s backlash. We test this with horseflies, horses, cattle, zoo zebras, and in field observations, experiments and measurements performed with test surfaces of different optical/thermal characteristics. We also test experimentally the theory of the alleged cooling effect of zebra stripes because of convective air eddies with measurements using thermocamera and Schlieren-technique, and with thermodynamical measurements of host animal models.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Why are black host animals horsefly-attractive? Why are white hosts and zebras horsefly-reppelent? According to our new thermophysiological theory, horseflies find hosts with optimal thermal surface characteristics for blood sucking in their optical environment by visual remote sensing. The ideal host is homogeneous dark, because in sunshine its body surface has a high temperature being advantageous for the quick functioning of horsefly wing muscles. Hosts with homogeneous bright or striped/spotted fur patterns are not attacked by blood-sucking horseflies, because their brightness (ensuring low body surface temperature being disadvantageous for horsefly wing muscles) or stripiness/spottines (causing inhomogeneous temperature distribution of the body surface being disadvantageous for the thermoreceptive vein detection of horseflies) can be visually recognized already from a remote distance. Seeking targets with higher degrees of polarization, horseflies use their polarization sensitivity to find more surely sunlit dark hosts instead of shady ones with a cooler microclimate being disadvantageous for wing muscles, or instead of other dark spots being inappropriate for blood sucking. Hence, contrary to sunlit dark hosts, horseflies do not land on hosts with bright/inhomogeneous fur patterns, because they perceive them already from a remote distance, and know that the thermal characteristics of inhomogeneous patterns are disadvantageous for blood sucking. The experimentally still untested theory on the cooling effect of air eddies induced by zebra stripes will be confirmed/refuted with thermographic studies of zebra hides and thermodynamical investigations of host models.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The solution of the 150-year-old enigma of zebra stripes is a significant scientific result. According to our new theory, the clue of this enigma is to answer why horseflies are not attracted to striped/spotted host animals. Our thermophysiological explanation is a novel approximation in the literature. The planned experimental study of the alleged cooling due to convective air eddies induced by zebra stripes is also a novelty, because this theory is based on aero- and thermodynamical speculations only. Earlier, it has not been studied under which conditions and at which body parts of zebras could air eddies be induced by stripes, and if they really cool the animal. The earlier 8 theories on the advantages of zebra stripes are based on qualitative speculations without any experimental data. Contrary to this, our research plan investigates and tests two famous theories in detail. After testing these two hypotheses that try to explain the enigma of zebra stripes, we shall obtain precise, quantitative arguments/counter-arguments. Such a quantitative experimental approximation of this problem promises important new scientific results about the adaptive significance of zebra stripes. Our new thermophysiological explanation of the adaptive benefit of horsefly-repellency of zebra stripes and the experimental confirmation/refutation of the famous theory stating the cooling effect of zebra stripes are pioneering and original basic research of international significance. Our planned research will clarify and solve these two old scientific problems, and will contribute with valuable experimental facts to the 150-year-old debate on the functions of zebra stripes. Our result on the horsefly-repellency of striped host animals has already a concrete practical application: horse shops offer zebra-striped clothes that can defend dark horses against horsefly attacks. This practical solution has been suggested by us. We have also showed that appropriately spotted fur patterns are similarly horsefly-repellent as zebra stripes. Consequently, horsefly attacks can also be avoided/reduced efficiently with the use of spotted horse clothes.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Since the famous debate between Darwin (1871) and Wallace (1867), for more than 150 years, the function of zebra stripes has been unknown. Although there are 8 theories that try to explain this, non of them has been experimentally tested until now. Recently, American scientists and our research group have revealed that in the development of zebra stripes the most important selective factor is the visual defence against blood-sucking horseflies: the more spotted a host animal is, the less horseflies it attacks. We have also showed that the brighter the host’s body surface is, the less attractive it is to horseflies, but is much more attractive than striped hosts, furthermore, the darker a host is, the more attractive it is to horseflies. The explanation of these experimental facts has been pending so far. We developed a new thermophysiological theory that can explain all these. In our research plan, we shall test the predictions of this new theory in field observations, measurements and experiments performed with horseflies, horses, cattle, zoo zebras and test surfaces with different optical and thermal characteristics. We shall also test the other theory stating that zebra stripes cool the animal by stripe-induced convective air eddies. In the end of our research we can answer the questions: Why are zebras striped? Why do dark animals attract horseflies? Why are bright animals and zebras horsefly-repellent? The practical application of our earlier results is that striped clothes defending dark horses against horsefly attacks have been designed and are available in horse shops. Similar applications can also be expected from our planned research.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Gábor Horváth, Tamás Szörényi, Ádám Pereszlényi, Balázs Gerics, Ramón Hegedüs, András Barta, Susanne Åkesson: Why do horseflies need polarization vision for host detection?, Royal Society Open Science 4: 170735 (doi: 10.1098/rsos.170735) (16 pages), 2017 | | Szörényi Tamás, Pereszlényi Ádám, Horváth Gábor, Barta András, Gerics Balázs, Hegedüs Ramón, Susanne Åkesson: Miért kell polarizációérzékelés a gazdaállat-kereséshez?, Fizikai Szemle 68 (5): 164-171, 2018 | | Gábor Horváth, Ádám Pereszlényi, Dénes Száz, András Barta, Imre M. Jánosi, Balázs Gerics, Susanne Åkesson: Experimental evidence that stripes do not cool zebras., Nature Scientific Reports 8: 9351 (12 pages, doi: 10.1038/s41598-018-27637-1), 2018 | | Gábor Horváth, Ádám Pereszlényi, Tímea Tóth, Szabolcs Polgár, Imre M. Jánosi: Attractiveness of thermally different uniformly black targets to horseflies: Tabanus tergestinus prefers sunlit warm shiny dark targets., Royal Society Open Science 6: 191119 (16 pages, doi: 10.1098/rsos.191119) + electronic supplement, 2019 | | Gábor Horváth, Ádám Pereszlényi, Ádám Egri, Tímea Tóth, Imre Miklós Jánosi: Why do biting horseflies prefer warmer hosts? Tabanids can escape easier from warmer targets., Public Library of Science One 15 (5): e0233038 (17 pages, doi: 10.1371/journal.pone.0233038) + electronic supplement, 2020 | | Gábor Horváth, Ádám Pereszlényi, Ádám Egri, Benjamin Fritz, Markus Guttmann, Uli Lemmer, Guillaume Gomard, György Kriska: Horsefly reactions to black surfaces: attractiveness to male and female tabanids versus surface tilt angle and temperature., Parasitology Research 119): 2399-2409 (doi: 10.1007/s00436-020-06702-7) + electronic supplement, 2020 | | Benjamin Fritz, Gábor Horváth, Ruben Hünig, Ádám Pereszlényi, Ádám Egri, Markus Guttmann, Marc Schneider, Uli Lemmer, György Kriska, Guillaume Gomard: Bioreplicated coatings for photovoltaic solar panels nearly eliminate light pollution that harms polarotactic insects., Public Library of Science One 15 (12): e0243296 (22 pages, doi: 10.1371/journal.pone.0243296) + electronic supplement, 2020 | | Ádám Pereszlényi, Dénes Száz, Imre Miklós Jánosi, Gábor Horváth: A new argument against cooling by convective air eddies formed above sunlit zebra stripes., Nature Scientific Reports 11: 15797 (15 pages, doi: 10.1038/s41598-021-95105-4) + electronic supplement, 2021 | | Pereszlényi Ádám, Száz Dénes, Jánosi Imre, Horváth Gábor: A zebrák léghűtőjének kísérleti cáfolata. Van-e légörvénysor a zebracsíkok fölött?, Természet Világa 152 (8): 348-354, 2021 | | Pereszlényi Ádám: Összetett vizuális ökológiai csapdák és a zebracsíkos bőrfelületek ökológiai és fiziológiás tulajdonságainak vizsgálata., PhD értekezés, ELTE Biológiai Fizika Tanszék, Budapest, 112 oldal, témavezetők: Horváth Gábor, Kriska György, védés: 2020.11.19, summa cum laude, 2020 | | Gábor Horváth, Ádám Pereszlényi, Dénes Száz, András Barta, Imre M. Jánosi, Balázs Gerics, Susanne Åkesson: Experimental evidence that stripes do not cool zebras., Scientific Reports 8: 9351 (12 pages, doi: 10.1038/s41598-018-27637-1), 2018 | | Horváth Gábor, Pereszlényi Ádám, Száz Dénes, Barta András, Jánosi Imre Miklós, Gerics Balázs, Susanne Åkesson: Zebracsíkok feltételezett hűtő hatásának kísérleti cáfolata, Fizikai Szemle 1. rész 69: 117-121, 2. rész 69: 147-154 + címlap, 2019 | | Ádám Pereszlényi, Dénes Száz, Imre Miklós Jánosi, Gábor Horváth: A new argument against cooling by convective air eddies formed above sunlit zebra stripes., Scientific Reports 11: 15797 (15 pages, doi: 10.1038/s41598-021-95105-4) + electronic supplement, 2021 | | Péter Takács, Dénes Száz, Miklós Vincze, Judit Slíz-Balogh, Gábor Horváth: Sunlit zebra stripes may confuse the thermal perception of blood vessels causing the visual unattractiveness of zebras to horseflies, Scientific Reports 12: 10871 (doi: 10.1038/s41598-022-14619-7) + electronic supplement, 2022 | | Dénes Száz, Péter Takács, Ádám Egri, Gábor Horváth: Blood-seeking horseflies prefer vessel-imitating temperature gradients on host-mimicking targets: experimental corroboration of a new explanation of the visual unattractiveness of zebras to tabanids, International Journal for Parasitology (submitted: 15 September 2022), 2022 | | Horváth Gábor, Pereszlényi Ádám, Száz Dénes, Egri Ádám, Jánosi Imre: Zebracsíkok termofiziológiai vizsgálata: új magyarázat a zebracsíkok szerepére, Természet Világa (benyújtva: 2022. szeptember 3.), 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
