明明拍到的苍蝇怎么⼜⻜起来了?因为它们是“苍蝇侠”

作者: 不周

来源: 环球科学

发布日期: 2023-06-11 06:31:15

苍蝇以其超快的反应速度和特殊的起飞技巧,使得人类难以捕捉。它们的大脑虽小,但在视觉和飞行能力上表现出惊人的适应性。苍蝇的复眼能以比人类快四倍的速度捕捉动作,使它们在人类眼中如同慢动作。此外,苍蝇的平衡棒帮助它们在危险时快速起飞,而其对翅膀损伤的抵抗能力也令人惊叹。这些特性使得苍蝇在自然选择中得以生存和进化。

“嗡……”屏声静⽓,瞄准⽬标,⽤⼒挥动⼿臂拍上去。不需要张开⼿,你就知道⾃⼰失败了。因为“嗡嗡”声再次响起,空中⼜划过它快乐灵活的身影,仿佛在嘲笑你笨拙的动作。不服⽓的你奋起追着苍蝇在房间⾥跑上⼏圈,终于功夫不负有⼼⼈拍到它时,⼀定会收获极⼤的满⾜感!(当然如果始终追不到的话,你可能需要平静⼀下⾃⼰狂躁的内⼼。

)然⽽,⽣命有时就是如此神奇,当你正⽓喘吁吁,洋洋得意之时,你发现这个⼩东⻄⼜颤颤巍巍地⻜起来了,⻜起来了!明明打到它了,为什么它还能⻜起来?不禁⾃我怀疑,究竟有没有拍到它?苍蝇的⼤脑⽐你的⼤脑⼩约100万倍,它们并不聪明。毕竟,这些昆⾍会⼀个接⼀个地跳⼊致命的捕蚊灯。但每当我们试图以⾁身捕捉或攻击这种⼩⽣物,却总像是在被它戏耍⼀般。事实上,⽆论你以为⾃⼰的动作有多快,在苍蝇眼中都是慢动作。

和多数昆⾍⼀样,苍蝇拥有⼀对复眼。它的每⼀只眼睛都是由⼀⼤簇微⼩的、独⽴的透镜单元(也就是⼩眼)组合⽽成。每只⼩眼都能独⽴地捕捉光线,看到天空的⻆度各不相同。本质上,这⼀个个⼩眼就构成了果蝇视觉的单独像素。与⼈类数百万个像素相⽐,苍蝇看到的世界分辨率⾮常低。但捕捉动作的能⼒却不取决于分辨率。所有动物,包括⼈类,本质上都是像看电影⼀般捕捉着周围环境的信息。

世界⽆疑是连续的,但我们的视觉系统却是在以⼀个特定频率(临界闪烁频率)拍摄单张图像,再从眼睛传回⼤脑并拼凑到⼀起。只有⾼于这个频率的画⾯,在我们看来才是连续的。⼈类每秒最多能看到约60次闪光,⽽⼀些苍蝇的复眼能看到250次左右——⽐⼈类整整快了四倍。如果你把⼀只苍蝇带去电影院,流畅的电影画⾯在苍蝇看来就是⼀帧帧静⽌的图像,像幻灯⽚⼀样。

与你我相⽐,苍蝇本质上是以慢动作看世界,因此它们的反应速度在我们看来就像超能⼒⼀般快。但捕捉动作快慢的能⼒强,并不能帮助苍蝇逃离⼈类的“魔⽖”,更重要的是,它们在发现危险时能够瞬间从静⽌位置起⻜。对于所有⻜⾏动物(甚⾄包括⻜⾏器)⽽⾔,整个⻜⾏的启动过程都是最为核⼼的阶段。它们需要在短时间内产⽣显著的升⼒,同时必须保证这个过程具有稳定性,能够抵抗⼀定程度的扰动。

⽽不同昆⾍的起⻜策略可能会略有不同,⼀些苍蝇主要通过腿部伸展提供初始升⼒,跳跃起⻜;另⼀些如蚊⼦、悬停苍蝇等则主要靠扇动翅膀提供升⼒。双翅⽬蝇中的有瓣蝇类(Calyptratae)都有⼀对后翅,它⽆法为苍蝇提供任何向上的升⼒,已经退化(也可以说是进化)为⼀种被称为平衡棒(halteres)的机械感受器。⽽平衡棒的作⽤类似陀螺仪,它能感知身体的旋转,帮助昆⾍保持身体的平衡。

在有瓣蝇类苍蝇静⽌时,它们总会规律地扇动后翅,但这种⾏为会造成哪些影响⼀直尚未得到解答。但科学家能观察到,有瓣蝇类苍蝇的起⻜速度远⾼于其他蝇类。2021年,科学家移除了⼀些有瓣蝇类苍蝇的平衡棒后发现,这些苍蝇的腿部伸展速度变慢,导致起⻜的速度也变慢,且更加不稳定。科学家推测,苍蝇后翅的摆动能够提升它们的感官信息量,且这种信息⽆需经过任何中枢神经系统,能直接传递到腿部。

这使得苍蝇能够像条件反射⼀般快速起⻜。此外,平衡棒的激活很可能有助于苍蝇在⻜⾏开始前“预热”,使它能从静⽌站⽴快速过渡到跳跃起⻜。但机警如苍蝇,还是免不了被我们打中。没错!有时候我们真的能拍到它。只是敌⼈还有⼀招:“免疫”伤害。更准确地说,是部分“免疫”。排除掉实打实地拍到静⽌在某⼀平⾯上的苍蝇这种情况。

当我们拍到半空中的苍蝇时,空⽓总是会更加优待这些质量极⼩的⽣物——它们可以感知到⽓流的变化,快速地反应逃离;或者⼲脆被⼿和它之间的空⽓推离原位(这就是苍蝇拍需要有很多洞的原因)。⽽⼩型⽣物的身体强度总是会更⾼,因此我们⼿臂挥出的⼒其实很难对它造成致命的伤害。理论上,当我们攻击⼀些⻜⾏⽣物时,翅膀总是最为脆弱的要害。那么纵使我们没能直接拍死苍蝇,也总能破坏它脆弱的翅膀,使它掉落在地。为什么它还能⻜?

这就不得不赞叹⼀下⽣命对于扰动的抵抗能⼒。在很多节肢动物中,蜕⽪、疾病、捕⻝、择偶这些⽣存过程,随时都可能造成身体受损。据2007年⼀项对节肢动物⾃然种群的调查显示,某些节肢动物种群中近40%都⾄少缺少⼀个完整的附肢。这样的⽐例在我们⼈类看来是不可思议的,但同时也验证了:在⾃然状态下,扰动或许是常态,⽽⾮⼩概率事件。然⽽,对于⻜⾏昆⾍⽽⾔,翅膀上⼀点细微的破损,可能就会造成毁灭性的影响。

因为不对称的身体必定会导致不对称的空⽓动⼒,从⽽迅速地破坏它们⻜⾏时身体的稳定性。与同样擅⻓⻜⾏的⻦类、蝙蝠不同的是,昆⾍⽆法靠⾃身修复翅膀的损伤。因此它们不得不借助神经系统和机械系统的耦合来补偿这种损伤导致的扰动。苍蝇也对翅膀损伤有很强的抵抗⼒。当损伤在⼀定范围内,它们可以通过由感官反馈驱动的机械调节机制保持稳定,这样会牺牲部分⻜⾏性能(⽐如速度),但不会改变内部神经系统的控制。

或者它们也可能会随着时间推移,⾃适应地改变内部控制,从⽽保证⾜够的⻜⾏性能。后者⽐较类似于⻜机在⻜⾏过程中消耗燃料、质量减少,从⽽需要改变⾃动驾驶的控制参数保证⻜⾏稳定的过程。这两种机制并不是互相排斥的,但科学家想要梳理苍蝇如何协调⼆者之间的关系,从⽽更深⼊地理解扑翼⻜⾏(像昆⾍或⻦类这样上下扑动翅膀升空的⻜⾏⽅式)的机制。

在去年11⽉发表于《科学·进展》(Science Advances)上的⼀项研究中,科学家搭建了⼀个圆柱形的虚拟现实⻜⾏场地,并在场地中央的顶部和底部放置了两块磁铁。研究⼈员在果蝇(D. melanogaster)胸部粘上了不锈钢针,并把它⽤钢绳束缚在两块磁铁之间,这样果蝇就只能在中间这个平⾯绕轴转动。场地周围的⼀圈屏幕可以为果蝇提供视觉刺激,从⽽测试果蝇的视神经反应。

为了研究翅膀损伤带来的影响,研究⼈员⽤微型剪⼑沿着径向剪掉果蝇的⼀部分左翅作为实验组,⽽双翅完整的果蝇则作为对照组。通过100fps的⾼速摄像机捕捉果蝇运动,研究⼈员能够收集果蝇每只翅膀的扑动幅度、扑动频率以及腹部位置的调整。结果显示,单侧翅膀损伤会导致果蝇翅膀的扑动频率提升,这会导致空⽓阻⼒也随之提升。由此可⻅,果蝇会主动提升空⽓阻⼒,降低⻜⾏速度,但能保证⻜⾏的稳定。

同时研究⼈员还观察到,果蝇为了弥补机翼损伤带来的扭矩不对称,会主动偏移调整⾃⼰腹部的位置,⽽这⼀过程也会影响果蝇的视觉响应。这项研究充分展现了苍蝇对翅膀损伤的适应性能⼒,这或许会对提升昆⾍型机器⼈的容错能⼒具有重要意义。

或许下⼀次,当你被苍蝇激起怒⽕,却怎样都拍不到它时,想想这篇⽂章就不会再灰⼼丧⽓。毕竟数亿年的⾃然选择才让苍蝇进化到如今这幅模样。说起来,我们编辑部⼀位同事正计划在卧室⾥散养⼀只毒蜘蛛(帮他捕⻝蚊⾍),其他⼈担忧:“你不怕蜘蛛咬你吗?”他回应道:“这样我就能拯救世界啦!”赶稿时,我不禁联想到此⼈的中⼆,会有⼈期待拥有苍蝇的超能⼒吗…...苍蝇侠!想象⼀下,其实真的很强。

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