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为什么飞虫喜欢追着光?困扰科学家好久的问题有答案了!

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李兆滢

在晚上的时候,我们时常会观察到一个有趣的现象,那就是飞蛾以及其他的昆虫,总是喜欢绕着光源不停地盘旋。有时,这些昆虫甚至会因此丧命。事实上,早在公元1年左右的罗马帝国就有文字记录表明,人们会利用人造光来捕捉昆虫。但一直以来,科学家都不知道“飞蛾扑火”的真正原因。

今年一月份,在一项新发表于《自然·通讯》杂志的论文中,研究人员利用高分辨率的运动捕捉技术,为这个古老的谜题提供了新的答案。

过去的一些理论
为了解释昆虫的这种奇怪行为,科学家曾提出过许多模型。例如

●一种早期的说法认为,昆虫实际上是被光源热辐射所吸引,而不是光本身;
●还有一种看法是,许多昆虫会利用月亮导航,它们在夜间会以月亮作为参照来确定它们的飞行路线,因此可能将附近的光源误认为月亮;
●也有人提出,这与一种逃避机制有关。在这种机制下,昆虫可能把光误认为是树叶的缝隙。它们朝着光飞行,就像是瞄准树叶的缝隙试图逃脱一样。
●除此之外,还有说法表示,昆虫敏感的、适应了夜间的眼睛,会因为人造光源而失去辨别能力,导致它们无法规律地飞行,甚至坠毁,并将它们困在光源附近。

但是,这些理论听起来都有各自的缺陷。所以,这个常见现象的背后原因一直都是个谜题。

背着光的方向

寻找这个问题的确切答案之所以如此困难,是因为用来检验这些理论的运动学数据非常稀缺。部分原因在于,在弱光下对小型飞行物进行3D跟踪充满了技术上的挑战,科学家几乎无法对飞虫的3D飞行轨迹和方向进行准确测量。

在新研究中,一个国际研究团队在帝国理工学院的实验室和哥斯达黎加的两个野外实验地,拍摄了10类不同的昆虫在人造光周围的高分辨率飞行轨迹和身体姿势。研究人员发现昆虫并不会被远处的光吸引,而是在靠近人造光源时才会被困住。这一发现与已有的那些理论都不匹配。

研究人员还观察到,昆虫会将它们的背部转向光源。在昆虫漫长的飞行进化史中,视野中最亮的部分一直是天空,天空是让它们知晓哪个方向是“向上”的有力指引。即使在夜间也是如此,尤其是在波长较短的区域(小于450纳米)。大多数飞虫都表现出某种形式的背光反应(dorsal-light-response),这种行为可以使它们的背侧一直保持在最亮的视觉区域。在自然光下,这有助于它们保持恰当的飞行姿态和控制。但当它们朝着人造光飞行时,这种反应会导致它们不断地绕过光源,进而被困在光源附近。

研究人员还观察到三种奇怪的行为:绕轨道飞行(绕光的稳定圆形飞行路径),失速(陡峭的爬升,逐渐降速,直到不动)和倒转(飞虫翻转身体并坠毁)。


飞行的昆虫背对人造光时的三种不同的转身行为。(图/Jamie Theobald, CC BY-ND)

当昆虫一旦处于光源的下方,它们会频繁地向上拱起,只有当爬到光源的上方时,就会再次倒转。这些昆虫一直将它们的背侧朝着光源,即使这样做会妨碍它们进行持续的飞行甚至导致坠毁。

而当昆虫直接从一盏灯的上方飞越时,它们往往会翻转过来,再次背对着灯光,但迎来的结局就是突然坠落。

回到实验室,研究人员在五种昆虫上安装了位置标记。他们用运动摄像机拍摄了它们在一个紫外LED灯泡、一个紫外蓝光光管,以及一个冷白光LED灯泡周围的行为。他们发现这些人造光源显著地改变了昆虫控制方向的能力,它们都试图将背部朝着光的方向倾斜。

然后,研究人员用计算机建模来分析这些行为,发现这种倾斜足以使昆虫在光源附近产生已被观测到的这种不稳定的飞行路径。研究人员说,这是解释为什么飞虫在人造光下聚集的最合理模型。

背光的原因
为什么昆虫——这种最古老、物种最多的飞行动物,仍然依赖于这样一种会让它们陷入危险的反应呢?

研究人员认为,这可能与它们的体型小有关。昆虫只有很小的感觉结构。当它们快速飞行时,加速度所能提供的关于哪个方向是向下的指示非常乱。于是,它们只能寄希望于明亮的天空。

在现代照明出现之前,无论是白天还是晚上,天空通常都比地面亮,因此它为昆虫提供了相当可靠的参考。而人造光的存在,则破坏了昆虫的这种能力,导致它们绕着光源飞行。

夜间的光污染

今天,随着人造光的普及,许多地区再也没有真正的黑夜了。这项研究促使我们重新审视我们在夜间发出的光。这些夜间的光源已经成为一种污染。而且昆虫并不是唯一受到影响的生物,其他的动物、植物、人类的昼夜节律和生理过程都收到了扰乱。但是被困在人造光周围的昆虫似乎受到了最严重的影响。它们无法获得食物,容易被捕食者发现,容易疲惫不堪,许多昆虫会死在天亮之前。

理论上,光污染是一个容易解决的问题。我们只需要拨动开关,将室外照明的亮度和持续时间限制在必要范围之内,就可以极大地改善夜间生态系统的问题。

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-44785-3

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称:李兆滢

审核:赵序茅

出品:中国科协科普部

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

内容资源由项目单位提供

评论
科普科普知识的摇篮!
太师级
昆虫由于小,往往希望寄希望于明亮的天空,因此减少夜间的人造光污染,对保护飞虫至关重要。通过合理使用灯光,我们可以减少飞虫对人类生活的干扰,同时保护这些有益的生物,彼此有意,何乐不为呢!!!
2024-05-16
爱科普懂生活
太师级
科学精神之一就是探索,对未知领域的研究会对人类乃至整个地球生态系统的发展都是很大的推动。小飞虫的趋光“扑火”就是很好的启示。
2024-05-16
科普62676e0a3b983
学士级
随着人造光的普及,夜间光源已经成为一种污染,昆虫等生物的昼夜节律和生理过程受到了扰乱,我们可控制室外照明亮度和持续时间,以解决光污染问题,改善生态系统。
2024-05-16