虫鸣能报温吗?能啊,萤火虫的光和蚂蚁的行军速度也可以

作者: 七君

来源: 把科学带回家

发布日期: 2017-02-15

本文通过介绍阿莫斯·多尔比的研究,解释了蟋蟀叫声与温度之间的关系,即多尔比定律。文章还提到,除了蟋蟀,其他生物现象如蚂蚁行军速度、萤火虫发光频率等也与温度有关,这些都是阿伦尼乌斯方程的表现形式。

大朋友小朋友们,你听过蟋蟀叫吗?你又没有想过,为什么有时候蟋蟀叫得快,有时候叫得慢呢?在《生活大爆炸》的第三季里面,霍华德和谢尔顿讨论了蟋蟀的叫声和温度的关系。谢尔顿斩钉截铁地说,他们听到的蟋蟀是玉竹蛉。谢尔顿到底有没有道理呢?我们难道能够从蟋蟀的叫声判断它的种类,甚至环境的温度吗?答案是还真可以。这就要从一个叫做阿莫斯﹒多尔比(Amos Emerson Dolbear)的物理学家说起了。

许多人并不认识这个物理学家。这很自然,因为多尔比是一个倒霉蛋,并没有在物理学的历史中留下多少声响。为什么这么说呢?如果问电话是谁发明的,你肯定会脱口而出——那不是亚历山大·贝尔吗?实际上多尔比曾经是离这个荣誉最近的人。当贝尔在1876年为他的电话申请专利的时候,多尔比跳出来表示不服。他认为自己才是第一个发明电话的人,并且还闹到了法院。

不过因为他没有认真地填表、好好地提交专利申请,所以最后这件事不了了之,发明电话的人还是被认定是贝尔。后来在1885年,他又捣腾出了一个无线电报系统。一个叫做古列尔莫·马可尼的意大利工程师借鉴了他的发明,最后研制出了无线电并且还获得了科学界的最高荣誉——诺贝尔奖。多尔比又表示不服,并且又闹到了法院。但是最后又不了了之。

但就是这样一个因为不喜欢填表所以被法官无视的倒霉蛋多尔比,却在生物学上做出了一个非常机智的发现。这就是多尔比定律(Dolbear’s law)。多尔比定律说,蟋蟀的叫声和温度是有关系的,蟋蟀的叫声可以用来当成温度计。常见的黑蟋蟀。原来在1897年的时候多尔比发现,当气温在15度左右的时候,蟋蟀大概每分钟叫80次。如果气温上升到21度左右,蟋蟀每分钟大概叫120次。

如果温度掉到10度以下,蟋蟀就冷得只能发出每分钟40次的叫声了。善于观察生活的多尔比把这些数据总结了一下,居然发现了一条规律:Tc是温度(摄氏度),N60是1分钟内蟋蟀鸣叫的次数。如果你想自己在家试一试这个定律准不准,可以记录一下室外的温度还有蟋蟀每分钟发出叫声的次数,再代入这个式子就可以啦。画成图是这样子的。

但是不拘小节、粗枝大叶的多尔比又犯老毛病了,他没有把这个定律里涉及的蟋蟀种类给写上,也没有说自己到底观察了多少次、做了多少次实验。他的内心台词应该是这样的:这种事情就让其他科学家去做就好啦,不然都被我一个人研究透了,以后学生们的毕业论文还能写什么?多尔比就是这样一个“大方”的物理学家呀。不过好在这次因为这个定律赚不了什么钱,没有什么专利官司可以打,所以科学界也就大方地用他的名字来给这条定律命名啦。

的确,他给后人留下了不少研究课题。许多科学家就是靠着多尔比定律留下的疑问才发表了好多论文的呢。这些后来者发现,多尔比定律比较粗略。虽然蟋蟀们的叫声频率,也就是每分钟叫的次数或多或少都和温度有关系,但是却和这个公式有些差别。最符合多尔比定律的是一种叫做玉竹蛉的蟋蟀。这条知识后来还被写到了生物教科书里,被当成了金科玉律。玉竹蛉也因此被人叫做“报温蟋蟀”。

玉竹蛉是一种很漂亮的昆虫,它大概只有1-2厘米左右长。它的翅膀是半透明的浅绿色,就像一块翠玉一样,所以被叫做这个名字。玉竹蛉是一种杂食性的昆虫,吃植物和其他昆虫,最爱吃蚜虫。那么,为什么蟋蟀能够报温呢?原来,蟋蟀发声主要是靠翅膀下面发声器肌肉的收缩。而肌肉的收缩需要能量,能量来自于化学反应,而化学反应的速度和温度是有关系的,这种关系叫做阿伦尼乌斯方程。

因为蟋蟀是冷血动物或者说变温动物,它的体温基本依靠气温,因此气温能够决定蟋蟀叫声的频率。如果温度低,化学反应速度就慢,蟋蟀的肌肉获得的能量就少,那么每分钟发出的叫声就少,反之,每分钟的叫声就多。通过这个原理,科学家们还设计出了为常见的黃斑黑蟋蟀和蝈蝈(也叫纺织娘、螽zhōng斯)量身定制的多尔比定律。所以说,多尔比定律实际上就是阿伦尼乌斯方程的一个表现形式。

其实,在大自然里许多生命现象都和阿伦尼乌斯方程有关。比如蚂蚁行军的速度、萤火虫发光的频率、钻纹龟的心率(每分钟心脏跳动的次数),甚至人类的阿尔法脑波都符合阿伦尼乌斯方程。所以在野外的时候,你甚至可以通过测量萤火虫的发光频率判断温度呢。对了,温度还能影响大脑转速呢。这大概就是要在脑子转得太慢的冬天放寒假,脑子转得太快的夏天放暑假的原因吧。你get到了阿伦尼乌斯老爷爷对你的善意了吗?

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