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隐藏的静电生态学的世界

2024-10-02 08:32阅读：

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隐藏的静电生态学的世界
对我们是看不见的，昆虫和其他微小生物用静电来旅行、躲避捕食者、收集花粉等等。新的实验探索进化如何可能已经影响了这一现象。
ECOLOGY
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实验显示蜜蜂能感知围绕花朵的静电场，甚至用静力跨一个空气间隙收集花粉。Kouzou Sakai for Quanta Magazine
ByMax G. Levy
Contributing Writer
September 30, 2024
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想象一刻你是一只蜜蜂。以很多方式你的世界是小的。你的四只精致的翅膀每只不到一厘米长，运送你的半克身体穿过充满巨大动植物的朦胧的风景。以其他方式你的世界是广阔的，甚至宏伟的。你的五只眼睛看到人类不能看到的颜色和图案，你的多感官触角探测来自远处花朵的气味。
多年来，生物学家已经好奇了是否蜜蜂有我们缺乏的另一种宏大感官。它们通过飞行积累的静电——类似于当你穿着厚袜子跨地毯穿梭产生的电荷——对它们通过空气感知和影响周围的物体可能是强大的。众所周知鳗鱼、鲨鱼和海豚等水生动物能在水中感知电，水是一种极好的电荷导体。相比之下，空气是一种贫的导体。但它可能传递足够来影响生物和它们的进化。
2013年，英国布里斯托尔大学的感官生态学家罗伯特（Daniel Robert）当他的实验室发现了蜜蜂能从花朵辐射的电场中检测和区分时在这一学科打破了基础。从那以后，更多的实验已经记录了蜘蛛、蜱虫和其他虫子能执行一个类似的手法。
这种动物静电影响生态系统。寄生虫如蜱虫和蛔虫搭乘在由更大动物宿主产生的电场上。在一种被称为气球飞行的行为中，蜘蛛通过伸展一根丝线在天空中飞行来捕捉电荷，有时用这个风旅行数百公里。今年，来自罗伯特的实验室的研究揭示了静电如何将花粉吸引到蝴蝶和飞蛾并可能帮助毛毛虫来躲避捕食者。
这项新的研究超越记录的静电的生态影响：它还目标是来揭开进化是否和如何已经微调了这种电感觉。静电可能原来是在小生物的生存中的一种帮助它们寻找食物、迁徙和感染其他生物的进化力。
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丹尼尔·罗伯特在布里斯托尔大学研究动物生物物理学。他的实验室已经积累了关于蜜蜂、蜘蛛、蜱虫、蝴蝶等静电感应的研究。Alexander Robert
这个发展中的被称为空中电接收的领域开辟一个自然世界的新维度。亚利桑那大学的行为生态学家安娜·多恩豪斯（Anna Dornhaus）说，“我发现这绝对的令人着迷。这整个领域研究活着的动物之间静电相互作用，对我们有来揭开没有发生关于这个世界如何运作的潜力” ，她没有参与这项工作。
圣安德鲁斯大学的进化生态学家贝尼托·温赖特（Benito Wainwright）说，“我们从所有这些辉煌的实验知道，电场确实在这些动物的生态中有一个功能角色。这并不是说它们最初的通过适应过程来到的” 。但现在这些力是表现的，进化能作用在它们上。尽管我们不能感知这些电轨迹，但它们可能引导我们到我们从未想象到的动物行为。
静电发现
2012年，维克托·奥尔特加·希门尼斯（Víctor Ortega Jiménez）在和他4岁的女儿玩耍时被静电绊倒。他们正在用一个玩具收集静电来悬浮轻重量物体如一个气球。当他们决定在外面测试它时他做了一个惊人的观察。
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由加州大学伯克利分校的奥尔特加·希门尼斯（Víctor Ortega Jiménez）的研究揭示了一个负电荷的蜘蛛网会吸引正电荷的昆虫猎物。Courtesy of Víctor Ortega-Jiménez
在加州大学伯克利分校研究动物旅行生物力学的奥尔特加·希门尼斯回忆道，“我女儿把棍子放在蜘蛛网附近，它很快反应了”。 棍子吸引了网。他立即的开始将他的关于昆虫与它们的环境相互作用的奇怪方式的研究联系起来。
所有物质——棍子、气球、网、空气——都努力平衡它的正负粒子（质子、电子和阳离子）之间。在一个深不可测的小尺度上奥尔特加·希门尼斯的玩具以一种不平衡嗡嗡：一个电机吸引负电荷向内，迫使正电荷到棍子的表面。这是静电的。这就像当你用气球擦你的头时一样。摩擦从你的头发脱落电子到橡胶上，用静电荷装载它，这样当你举起气球时几缕头发随它漂浮。
奥尔特加·希门尼斯考虑了以类似的方式来自昆虫翅膀拍打的摩擦可以从身体脱落负电荷释到空气留下昆虫有一个正电荷同时创造负静电的区域。他意识到如果一张网带负电荷而昆虫带一个正电荷，那么一个蜘蛛网可能不只是一个被动的陷阱——它可以静电上移动朝向并吸引它的猎物。他的实验室实验精确的揭示了这一点。当与来自苍蝇、蚜虫、蜜蜂甚至水滴的静电挤动时网立即的变形。蜘蛛更容易的捕捉带电的昆虫。他看到了静电如何改变了动物相互作用的物理学。
动物静电学的魔力全都是关于大小。大型动物不有意义的体验自然的静电——我们是太大不来感觉到它。奥尔特加·希门尼斯说，“作为人类我们主要生活在一个引力或流体动力学世界里”。但对微小的存在物，引力是一个事后的想法。昆虫能感觉到空气的粘性。虽然同样的物理学定律统治地球的最小和最大的物种，但力的平衡随大小移变。分子间力在一个池塘上的水黾的脚下弯曲，毛细管力通过一个植物的细根不可能的向上喷水，静电力能缠住在它们路径中任何带相反电荷的斑点。

一只寄生线虫旋转过空气，被拉向它的静电上的昆虫宿主（上图）。微小的粒子使静电场可见的（底部）。Víctor Ortega-Jiménez
“带电斑点”是一个花粉粒的合适的物理描述。在奥尔特加·希门尼斯注意到蜘蛛网捕住虫子几年后，罗伯特的团队发现了蜜蜂能收集带负电荷的花粉不用刷起它。当一只蜜蜂从一朵花喝了花蜜时花粉直接射到它的身上。罗伯特说，“蜜蜂和花之间花粉来跳跃不需要有接触。这是一条响应静电力的轨迹。”
这一发现向罗伯特提示静电能使一个植物-传粉者互惠共生，一个著名的共同进化的例子。这种动态——其中一只蜜蜂吃食一个花朵的花蜜来喂养幼虫并把花粉从一朵花传播到另一朵花，使植物能够繁殖——已经被很好建立。静电的潜在角色是全新的。
在过去的十年里，罗伯特已经建立了一个揭示昆虫和蛛形纲动物用和体验静电多种方式的工作体。蜱虫跳跃、蜘蛛膨胀、蜜蜂感知被另一只带正电的蜜蜂最近访问过的花的负电荷。他甚至发现了空气和昆虫之间的带电关系走双向：蜜蜂群脱落如此多的负电荷以至于它们改变周围的电梯度。基于罗伯特估计，源自一群沙漠蝗虫的大气电荷竞争云和电风暴的那个。
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Mark Belan for Quanta Magazine
罗伯特和奥尔特加·希门尼斯的结论是挑衅性的。但对他们节肢动物的物理学使静电力不可避免的。虫子是轻的有一个高的表面积与体积之比的角度——罗伯特说“所有这些参数物理学家能告诉你要求更高的电荷密度，原来是它们的世界样子比我们的更电的” 。
尽管如此，实验不能得出这些生物控制着这种静电功能或者它如何进化了的结论——如果它甚至进化了。罗伯特好奇：由虫子静电场的使用是巧合的还是适应性的？
为生存静电
英格兰（Sam England）对大自然的热爱不言而喻。他有六个动物纹身包括一个装饰有我们太阳系行星的一只树虫——一个对他的物理学背景的致敬。这些世界的结合驱动他的好奇心：物理学是如何铸模动物行为的？他在研究生院转向了感官生态学并加入了布里斯托尔大学罗伯特的实验室来追求昆虫主动的用静电来影响它们的环境的假设。
隐藏的静电生态学的世界
为测量由蝴蝶和飞蛾携带的静电，英格兰将钓线绑在每只蝴蝶身上，并“让它们走过”一个金属环。Rebecca Ward
因为静电世界对人类研究人员是看不见的，甚至在你添加不可预测的生物到混合物中之前它的力是难来研究的。英格兰说，“在生物学中做研究是比物理学中如此更难，因为你不得不依靠活的动物来做某些事情”。他要测试是否包括蝴蝶和飞蛾在内的飞行昆虫的鳞翅目昆虫在飞行期间会像蜜蜂做的一样积聚起足够的静电为花蜜来从它们访问的花朵中收集花粉。但首先他必须机构一种来测量昆虫静电荷的方法。
一个“行走”是英格兰对他的欺骗昆虫成呆在空中30秒的方法的最佳比喻。他说“我不得不把小套索围在它们的腰上”。他用鱼线绑住每一个飞行员并哄它们穿过一个固定的来测量它们的电荷的金属环。
英格兰研究了11种原产于不同气候、生态系统和生活方式的蝴蝶和飞蛾。在它们绕着它们的笼子飞了30秒——足够积累静电荷的时间——之后，他引导它们穿过了这个环。所有11个物种都在飞行期间充电。他计算出一些达到了每米5千伏左右的静电，足以将带负电荷的花粉从6毫米外拔出。
当鳞翅目昆虫直接的落在一朵花上时，花粉自然的粘到它们的身体上。英格兰说，如果静电荷造成花粉来跳过气隙，“这将增加它们的作为传粉者的效率。这使授粉更可能发生” 。
为衡量静电的进化意义，他寻找了动物在野外的行为怎样共相关到它们的电荷。他发现了一些。例如，夜蛾往往比其他物种把持更少的电荷。为什么？英格兰推测强的电荷使昆虫对依赖非视觉线索如静电的捕食者在夜间更容易看到昆虫。因此，最小化电荷可以帮助飞蛾生存。
Left: A pink and green hawk moth drinks from a flower. Right: A peacock butterfly is orange with blue, black and yellow spots.
新的研究研究了在11只蝴蝶和飞蛾的上哦静电，包括鹰蛾（左）和孔雀蝶（右）。鹰蛾是一种夜行性物种，实践上不携带任何电荷——可能来避免在黑暗中被捕食者探测。From left: Alex Hyde/NaturePL/Science Source; Malcolm Schuyl/FLPA/Science Source
奥尔特加·希门尼斯说，“这是伟大的新数据”。他提醒说，这项研究的11个物种只是世界的18万左右鳞翅目昆虫的一个谦虚代表。“为声称静电适应它需要更广泛的。但这是一个好的假设” 。
要昆虫靠静态信息行动它们必须能够来探测电场。按照罗伯特实验室，蜜蜂和蜘蛛身上的微观毛发似乎帮助感知。英格兰最近通过研究毛毛虫的微小毛发如何在静电下偏转扩展了这一尚未解决的科学，来收集电信息如何可能帮助毛毛虫生存。
当英格兰的研究小组将毛毛虫暴露在那些类似于被一只飞行黄蜂产生的电场时，毛毛虫显示了防御行为如盘绕、拍打或叮咬。英格兰说，“这基本上暗示猎物和捕食者能只是用静电探测彼此” 。
行为生态学家多恩豪斯质疑是否电接收为毛毛虫买很多时间。然而捕食者与猎物冲突的高风险提示任何优势都可能算数的。她说，“对个体毛毛虫甚至在幸存遭遇的机会中仅有点增加使它成为一种进化相关的行为”。
奥尔特加·希门尼斯说，“生物体总是机会主义者” 。他犹豫不决但被英格兰的研究深刻印象。他渴望更多的数据——理想的来自野生动物——检验自然主义行为。他问道：“谁正在赢这场比赛？谁在更多用静电？”“什么样的捕食者和猎物？”
An orange and black striped caterpillar curls up in the center of a flower.
一只朱砂蛾的毛虫以防御姿态盘绕。幼虫的感官毛可能能够探测到由黄蜂等捕食者产生的静电场。Sam J. England
随越来越多的将静电联系到生存的证据，一个进化可能刚好像任何其他特征一样微调来感知或携带电荷的能力的故事正在浮现。罗伯特实验室的研究生贝丝·哈里斯说，“有如此多样的有不同的生态系统的物种的事实使它如此有趣的。有一个要被打开的真的宝箱” 。
电继承
随着罗伯特实验室的工作继续进行，在昆虫和蛛形纲动物中的静电检测和积累的质疑也确实不是偶然做的。有更好电接收的毛毛虫或携带较低电荷的夜蛾可能更好躲避捕食者。如果它们存活来繁殖更多，这些基因和特征——包括那些帮助生物体感知和使用静态场的——可能在后代中变得更强、更常见。
静电学在动物王国中可能比我们今天所知道的更影响的这一想法开始变得不可忽视的。整个生态系统可能依赖于隐藏的电场。英格兰说，“如果你突然拿走静电，我不认为你会得到一个大规模灭绝。但我认为我们会被有多少动物会不得不适应不使用它惊讶” 。
原来是它们的世界样子是比我们的更电的。Daniel Robert, University of Bristol
静电力作用在一个毫米和厘米尺度上，但它们的集体影响可能远更大。例如，大黄蜂等群居蜜蜂为其他群体成员和幼虫收集食物。觅食者每天都关于花朵做出数百个决定，许多其他蜜蜂都依赖于这些决定。研究蜜蜂与花朵如何互动的多恩豪斯说，“我们认为在一个个体水平上为一个相当的微妙的差异——能够更快一秒检测到花朵——对它们进化上可能是相当重要的”。
如果静电荷资助授粉，它们也可能改变植物进化。多恩

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