它是一只鸟,它是一架飞机,它是……对抗重力的蜘蛛!

2020年 10月 27日

对于许多人来说,一提到蜘蛛就会感到恐惧。但实际上,它们有时让人感到害怕,有时却非常有趣,这取决于我们对这些八条腿的爬行动物的态度。事实证明,有些蜘蛛可以漂浮 数百英里,有些甚至在离地面两英里的地方被发现。这些没有翅膀的生物到底是如何飞起来的呢?布里斯托尔大学(University of Bristol)的研究人员使用仿真和实验帮助我们阐明了这个古老的谜团。

蜘蛛,无处不在的蜘蛛!

查尔斯·达尔文在 1831—1836 年间乘坐贝格尔号环游世界。在这艘船上,作为一名博物学家,他在日记中写满了对动植物的观察。1832 年的万圣节,达尔文在船甲板上目睹了一些诡异的事物:数百只细小的浮动眼睛凝视着他。这些眼睛属于一大群蜘蛛。该船离海岸不远,达尔文知道这些小流浪者必须走很长一段距离才能上船。达尔文在他的日记中写道:“我抓到了一些至少要走60英里的“飞艇驾驶员”——蜘蛛。”

2015 年,这种现象又发生在澳大利亚的南部高原地区。据报道,数百万只蜘蛛从天上掉下来。这次大规模的跳伞事件导致大量的丝网覆盖地面——看起来像暴风雪袭击了这个地区!

这种奇特的蛛形纲动物行为被称为热气球飞行,即蜘蛛爬到尖的表面(例如树枝或一片草叶)上方,它们腹部朝天,从吐丝器中射出蛛丝并发射到空中。

8 张图片的拼贴画,显示了一只大蜘蛛的膨胀行为。
大型蜘蛛的飞航观察研究。图片由 Cho M,Neubauer P,Fahrenson C,Rechenberg I 提供。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0下获得许可。

纵观历史,这种由一些蛛形纲动物和其他无脊椎动物所表现出的反重力行为一直是引起科学界争议的话题。一些研究人员认为,这种影响仅是由风引起的,即风使蜘蛛和它的丝线在陆地和海洋上漂移了数百英里,而另一些研究人员则认为,这与地球的电场有关。

研究反重力蜘蛛的行为

布里斯托尔大学的研究人员 Erica Morley 和 Daniel Robert 在多物理场实验和仿真的帮助下研究了这一现象。他们在 2018 年发表在Current Biology上的一篇论文中分享了他们的研究成果。

“在这里,我们验证了这样一种假设:蜘蛛可以探测到与[大气电势梯度](APG)相关的电场分布(e-fields),并以此带动它们飞行。”

–Erica Morley 和 Daniel Rober,Current Biology,2018 年

位于地球和电离层之间的大气电势梯度,是大气中持续存在的电场。它的强度和极性会因当地天气条件的变化而变化,并且在雷暴天气中强度最大。大气电势梯度是带负电的地球表面与带正电的电离层相互作用的结果。众所周知,大黄蜂和蜜蜂等昆虫可以探测并利用电场。但在 Morley 和 Robert 研究之前,蜘蛛是否具有相同的电场探测能力仍是一个谜。

显示地球大气和电离层的简单示意图
地球的大气层和电离层。通过 Wikimedia Commons 在公共领域中的图像。

在讨论他们的实验和仿真工作之前,Morley 和 Robert 首先谈到了围绕风力单独作用于蛛形纲动物飞行的理论解释。

“许多蜘蛛使用扇形展开的多股丝线飞航。每条丝线都是分开的,而不是在微风中缠结和蜿蜒,这说明存在静电斥力的作用。”

–Erica Morley 和 Daniel Robert,Current Biology,2018 年

蜘蛛在膨胀时的绘图,这种行为给人以反重力蜘蛛的印象。
飞行时蜘蛛丝线的图示。

Morley 和 Robert 还指出,蜘蛛仅在非常轻的风(低于 3 ms-1)存在时就可以飞行,但是模型显示,这种风况的强度不足以使大型蜘蛛飞行。但是,人们已经发现大型蜘蛛也可飞行,这进一步支持了这样一个假设:即除了风的气动阻力之外,一定有其他因素在起作用。

实验时间

首先,Morley 和 Robert 捕获了一些成年的 Erigone 蜘蛛(又名金钱蜘蛛),将其放入了一个大塑料盒(1 m × 1 m × 1 m)中,并将每只蜘蛛小心地放在一个垂直的纸板条上。整个测试在法拉第笼室中进行,这是一个用来屏蔽电磁场的封闭空间。在实验过程中测量的湿度和温度水平分别在 50.5%RH±5.4 和 21.2°±0.9 的范围内,许多研究表明蜘蛛通常在低湿度下飞行。

在盒子里时,蜘蛛暴露于电场中,与它们在自然环境中所经历的电场类似,并开始表现出一种蜘蛛在飞行之前从未见过的行为:踮起脚尖。就像他们的假设中描述的那样,当打开电场时,蜘蛛开始飞行,而当电场被关闭时,蜘蛛停止了反重力的特技飞行。

金钱蜘蛛的照片在花瓣的,蜘蛛将迅速增加。
金钱蜘蛛通常仅几毫米长,并以其飞行行为而著称。图片由 Mike Hutchinson 提供,由布里斯托尔大学的 D. Robert 提供。

蜘蛛如何探测电场? Morley 和 Robert 认为,这与蜘蛛的纤细的动力传感毛发(即毛簇)有关。他们认为蜘蛛的毛簇类毛发似于大黄蜂的动力传感毛发,这些毛发有助于大黄蜂探测电场。在实验过程中,当电场被打开时,蜘蛛的毛簇毛发感知并开始移动,而其他毛发则没有。因此,金钱蜘蛛似乎会探测周围的电场并评估环境是否有利于飞行。研究人员认为,实际上,这些细小的电场感应毛发可能会告诉它们要走到哪里才能找到这样的飞行感应电场。

蜘蛛的图像和一特写镜头视图它的毛簇毛发之一。
蜘蛛的一根毛簇毛发示意图。

基于他们的发现,Morley 和 Robert 认为风和电场的结合才是引起蜘蛛飞行的原因。

模拟电场

完成实验后,研究人员开始进行仿真研究。他们使用 COMSOL Multiphysics® 软件进行了有限元分析(FEA),并在实验区域内的树木和电场周围建立了 APF 的有限元模型。

“ APG-树相互作用的模型是通过在不稳定的天气中以 1 kV·m-1 或 4 kV·m-1 的电场强度对 APG 进行建模而产生的。在这里,接地电位设置在于 5 m 以下的土壤中,该土壤与树木之间有一个电场边界。”

–Erica Morley 和 Daniel Robert, Current Biology ,2018 年

研究人员将实验场地建立为纸板的起飞点(具有合适的材料特性),并将电势建立为空气上方的板块。就像在实际实验中一样,在起飞点下方模拟了一个水盘。(在实验中,水盘用于防止蜘蛛逃脱)。

在他们的模型中,他们的实验场的表面保持在接地电位,而实验场的顶板被设置为 5000 V (这是他们在物理场实验中使用的最大电压)。

并排图像将橡树周围的电场图与带有完整树枝的橡树的照片进行比较。
左:APG 强度为 4kVm-1 的橡树周围电场增强的 FEA 模型。图片由布里斯托尔大学的 EL Morley 和 D. Robert 提供。右:荷兰的孤橡树。图片由 JürgenEissink 提供。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0 下获得许可。

在树及其周围树枝对 APF 进行建模非常重要,因为蜘蛛通常会在此类表面上飞航。(尖锐的几何形状使得尖锐表面周围的电场最强,这可以解释为什么蜘蛛选择在它们身上表演反重力的技巧。)

并排图像比较树枝周围的电场模型和裸露树枝的树木照片。
左:FEA 模型突出显示了 APG 强度为 4kVm-1 的尖树枝周围的电场。图片由布里斯托尔大学的 EL Morley 和 D. Robert 提供。右:无叶树枝。图片由 Tiia Monto 提供。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 3.0下获得许可。

为什么蜘蛛会做出这种反重力的壮举?

由于饥饿和安全原因,刚孵出的蜘蛛或幼蛛经常参加大规模飞行运动,以便于它们从母亲的网中移出。(有趣的事实:E B White 曾在《夏洛特网络》一书中描述了这种大规模的飞行事件)。

无论它们离开的原因是什么,一些研究人员认为这种影响使蜘蛛成为第一批在新大陆上(例如火山岛或遭受自然灾害摧毁的地区)定居的物种

通过研究蛛形纲动物的飞行行为,我们可以进一步了解种群动态、物种分布和生态适应力,这对于全球生态学至关重要。

因此,如果您碰巧看到一大群蜘蛛在空中飘浮,请不要惊慌。毕竟,这是科学!

延伸阅读

参考文献

  1. E.L. Morley and D. Robert, “Electric Fields Elicit Ballooning in Spiders”, Current Biology, vol. 28, no. 14, pp. 2324–2330, 2018.

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