撰文 | 不周
審校 | clefable
“嗡……”屏聲靜氣，瞄準(zhǔn)目標(biāo)，用力揮動(dòng)手臂拍上去。不需要張開手，你就知道自己失敗了。因?yàn)椤拔宋恕甭曉俅雾懫穑罩杏謩澾^(guò)它快樂(lè)靈活的身影，仿佛在嘲笑你笨拙的動(dòng)作。
不服氣的你奮起追著蒼蠅在房間里跑上幾圈，終于功夫不負(fù)有心人拍到它時(shí)，一定會(huì)收獲極大的滿足感?。ó?dāng)然如果始終追不到的話，你可能需要平靜一下自己狂躁的內(nèi)心。）
然而，生命有時(shí)就是如此神奇，當(dāng)你正氣喘吁吁，洋洋得意之時(shí)，你發(fā)現(xiàn)這個(gè)小東西又顫顫巍巍地飛起來(lái)了，飛起來(lái)了！明明打到它了，為什么它還能飛起來(lái)？不禁自我懷疑，究竟有沒(méi)有拍到它？
超能力 1：慢動(dòng)作看世界
蒼蠅的大腦比你的大腦小約 100 萬(wàn)倍，它們并不聰明。畢竟，這些昆蟲會(huì)一個(gè)接一個(gè)地跳入致命的捕蚊燈。但每當(dāng)我們?cè)噲D以肉身捕捉或攻擊這種小生物，卻總像是在被它戲耍一般。事實(shí)上，無(wú)論你以為自己的動(dòng)作有多快，在蒼蠅眼中都是慢動(dòng)作。
和多數(shù)昆蟲一樣，蒼蠅擁有一對(duì)復(fù)眼。它的每一只眼睛都是由一大簇微小的、獨(dú)立的透鏡單元（也就是小眼）組合而成。每只小眼都能獨(dú)立地捕捉光線，看到天空的角度各不相同。本質(zhì)上，這一個(gè)個(gè)小眼就構(gòu)成了果蠅視覺(jué)的單獨(dú)像素。與人類數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素相比，蒼蠅看到的世界分辨率非常低。但捕捉動(dòng)作的能力卻不取決于分辨率。
所有動(dòng)物，包括人類，本質(zhì)上都是像看電影一般捕捉著周圍環(huán)境的信息。世界無(wú)疑是連續(xù)的，但我們的視覺(jué)系統(tǒng)卻是在以一個(gè)特定頻率（臨界閃爍頻率）拍攝單張圖像，再?gòu)难劬骰卮竽X并拼湊到一起。只有高于這個(gè)頻率的畫面，在我們看來(lái)才是連續(xù)的。
閃爍頻率由低到高，光點(diǎn)看上去也由閃爍變得連續(xù)。
人類每秒最多能看到約 60 次閃光，而一些蒼蠅的復(fù)眼能看到 250 次左右 —— 比人類整整快了四倍。如果你把一只蒼蠅帶去電影院，流暢的電影畫面在蒼蠅看來(lái)就是一幀幀靜止的圖像，像幻燈片一樣。與你我相比，蒼蠅本質(zhì)上是以慢動(dòng)作看世界，因此它們的反應(yīng)速度在我們看來(lái)就像超能力一般快。
超能力 2：我有特殊的起飛技巧
但捕捉動(dòng)作快慢的能力強(qiáng)，并不能幫助蒼蠅逃離人類的“魔爪”，更重要的是，它們?cè)诎l(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)能夠瞬間從靜止位置起飛。對(duì)于所有飛行動(dòng)物（甚至包括飛行器）而言，整個(gè)飛行的啟動(dòng)過(guò)程都是最為核心的階段。它們需要在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生顯著的升力，同時(shí)必須保證這個(gè)過(guò)程具有穩(wěn)定性，能夠抵抗一定程度的擾動(dòng)。而不同昆蟲的起飛策略可能會(huì)略有不同，一些蒼蠅主要通過(guò)腿部伸展提供初始升力，跳躍起飛；另一些如蚊子、懸停蒼蠅等則主要靠扇動(dòng)翅膀提供升力。
雙翅目蠅中的有瓣蠅類（Calyptratae）都有一對(duì)后翅，它無(wú)法為蒼蠅提供任何向上的升力，已經(jīng)退化（也可以說(shuō)是進(jìn)化）為一種被稱為平衡棒（halteres）的機(jī)械感受器。而平衡棒的作用類似陀螺儀，它能感知身體的旋轉(zhuǎn)，幫助昆蟲保持身體的平衡。在有瓣蠅類蒼蠅靜止時(shí)，它們總會(huì)規(guī)律地扇動(dòng)后翅，但這種行為會(huì)造成哪些影響一直尚未得到解答。但科學(xué)家能觀察到，有瓣蠅類蒼蠅的起飛速度遠(yuǎn)高于其他蠅類。
2021 年，科學(xué)家移除了一些有瓣蠅類蒼蠅的平衡棒后發(fā)現(xiàn)，這些蒼蠅的腿部伸展速度變慢，導(dǎo)致起飛的速度也變慢，且更加不穩(wěn)定?？茖W(xué)家推測(cè)，蒼蠅后翅的擺動(dòng)能夠提升它們的感官信息量，且這種信息無(wú)需經(jīng)過(guò)任何中樞神經(jīng)系統(tǒng)，能直接傳遞到腿部。這使得蒼蠅能夠像條件反射一般快速起飛。此外，平衡棒的激活很可能有助于蒼蠅在飛行開始前“預(yù)熱”，使它能從靜止站立快速過(guò)渡到跳躍起飛。
超能力 3：”免疫“傷害與抵抗擾動(dòng)
但機(jī)警如蒼蠅，還是免不了被我們打中。沒(méi)錯(cuò)！有時(shí)候我們真的能拍到它。只是敵人還有一招：”免疫“傷害。更準(zhǔn)確地說(shuō)，是部分“免疫”。排除掉實(shí)打?qū)嵉嘏牡届o止在某一平面上的蒼蠅這種情況。當(dāng)我們拍到半空中的蒼蠅時(shí)，空氣總是會(huì)更加優(yōu)待這些質(zhì)量極小的生物 —— 它們可以感知到氣流的變化，快速地反應(yīng)逃離；或者干脆被手和它之間的空氣推離原位（這就是蒼蠅拍需要有很多洞的原因）。而小型生物的身體強(qiáng)度總是會(huì)更高，因此我們手臂揮出的力其實(shí)很難對(duì)它造成致命的傷害。
理論上，當(dāng)我們攻擊一些飛行生物時(shí)，翅膀總是最為脆弱的要害。那么縱使我們沒(méi)能直接拍死蒼蠅，也總能破壞它脆弱的翅膀，使它掉落在地。為什么它還能飛？這就不得不贊嘆一下生命對(duì)于擾動(dòng)的抵抗能力。
看似弱小的昆蟲，對(duì)身體的自然損傷有著相當(dāng)強(qiáng)的抵抗力。在很多節(jié)肢動(dòng)物中，蛻皮、疾病、捕食、擇偶這些生存過(guò)程，隨時(shí)都可能造成身體受損。據(jù) 2007 年一項(xiàng)對(duì)節(jié)肢動(dòng)物自然種群的調(diào)查顯示，某些節(jié)肢動(dòng)物種群中近 40% 都至少缺少一個(gè)完整的附肢。這樣的比例在我們?nèi)祟惪磥?lái)是不可思議的，但同時(shí)也驗(yàn)證了：在自然狀態(tài)下，擾動(dòng)或許是常態(tài)，而非小概率事件。
然而，對(duì)于飛行昆蟲而言，翅膀上一點(diǎn)細(xì)微的破損，可能就會(huì)造成毀滅性的影響。因?yàn)椴粚?duì)稱的身體必定會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱的空氣動(dòng)力，從而迅速地破壞它們飛行時(shí)身體的穩(wěn)定性。與同樣擅長(zhǎng)飛行的鳥類、蝙蝠不同的是，昆蟲無(wú)法靠自身修復(fù)翅膀的損傷。因此它們不得不借助神經(jīng)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的耦合來(lái)補(bǔ)償這種損傷導(dǎo)致的擾動(dòng)。
蒼蠅也對(duì)翅膀損傷有很強(qiáng)的抵抗力。當(dāng)損傷在一定范圍內(nèi)，它們可以通過(guò)由感官反饋驅(qū)動(dòng)的機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)制保持穩(wěn)定，這樣會(huì)犧牲部分飛行性能（比如速度），但不會(huì)改變內(nèi)部神經(jīng)系統(tǒng)的控制 [1] ?；蛘咚鼈円部赡軙?huì)隨著時(shí)間推移，自適應(yīng)地改變內(nèi)部控制，從而保證足夠的飛行性能。后者比較類似于飛機(jī)在飛行過(guò)程中消耗燃料、質(zhì)量減少，從而需要改變自動(dòng)駕駛的控制參數(shù)保證飛行穩(wěn)定的過(guò)程。這兩種機(jī)制并不是互相排斥的，但科學(xué)家想要梳理蒼蠅如何協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系，從而更深入地理解撲翼飛行（像昆蟲或鳥類這樣上下?lián)鋭?dòng)翅膀升空的飛行方式）的機(jī)制。
在去年 11 月發(fā)表于《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）上的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家搭建了一個(gè)圓柱形的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行場(chǎng)地，并在場(chǎng)地中央的頂部和底部放置了兩塊磁鐵。研究人員在果蠅（D. melanogaster）胸部粘上了不銹鋼針，并把它用鋼繩束縛在兩塊磁鐵之間，這樣果蠅就只能在中間這個(gè)平面繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。場(chǎng)地周圍的一圈屏幕可以為果蠅提供視覺(jué)刺激，從而測(cè)試果蠅的視神經(jīng)反應(yīng)。
為了研究翅膀損傷帶來(lái)的影響，研究人員用微型剪刀沿著徑向剪掉果蠅的一部分左翅作為實(shí)驗(yàn)組，而雙翅完整的果蠅則作為對(duì)照組。通過(guò) 100fps 的高速攝像機(jī)捕捉果蠅運(yùn)動(dòng)，研究人員能夠收集果蠅每只翅膀的撲動(dòng)幅度、撲動(dòng)頻率以及腹部位置的調(diào)整。結(jié)果顯示，單側(cè)翅膀損傷會(huì)導(dǎo)致果蠅翅膀的撲動(dòng)頻率提升，這會(huì)導(dǎo)致空氣阻力也隨之提升。由此可見(jiàn)，果蠅會(huì)主動(dòng)提升空氣阻力，降低飛行速度，但能保證飛行的穩(wěn)定。同時(shí)研究人員還觀察到，果蠅為了彌補(bǔ)機(jī)翼?yè)p傷帶來(lái)的扭矩不對(duì)稱，會(huì)主動(dòng)偏移調(diào)整自己腹部的位置，而這一過(guò)程也會(huì)影響果蠅的視覺(jué)響應(yīng)。這項(xiàng)研究充分展現(xiàn)了蒼蠅對(duì)翅膀損傷的適應(yīng)性能力，這或許會(huì)對(duì)提升昆蟲型機(jī)器人的容錯(cuò)能力具有重要意義。
或許下一次，當(dāng)你被蒼蠅激起怒火，卻怎樣都拍不到它時(shí)，想想這篇文章就不會(huì)再灰心喪氣。畢竟數(shù)億年的自然選擇才讓蒼蠅進(jìn)化到如今這幅模樣。
說(shuō)起來(lái)，我們編輯部一位同事正計(jì)劃在臥室里散養(yǎng)一只毒蜘蛛（幫他捕食蚊蟲），其他人擔(dān)憂：“你不怕蜘蛛咬你嗎？”他回應(yīng)道：“這樣我就能拯救世界啦！” 趕稿時(shí)，我不禁聯(lián)想到此人的中二，會(huì)有人期待擁有蒼蠅的超能力嗎…... 蒼蠅俠！想象一下，其實(shí)真的很強(qiáng)。
參考鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0719
https://edition.cnn.com/2022/09/07/world/flies-escape-swatting-scn-partner/index.html
https://www.hhmi.org/news/complete-fly-brain-imaged-at-nanoscale-resolution
https://www.bbc.com/news/science-environment-41284065
https://www.npr.org/2021/01/13/956506208/new-discovery-explains-why-its-so-hard-to-swat-houseflies
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2020.2375
https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rspb.2020.2374
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/1/451804.shtm
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue）
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