蜘蛛如何「御电而行」?-领域趋势-仿生智能材料研究组  
蜘蛛如何「御电而行」? 文献论文 生物质基 柔性智能
lchaoxu 1月前 52

1832年,达尔文正在「小猎犬号」上担任博物学家。一日,他在甲板上发现了件怪事——一夜之间,甲板上多了上千只小红蜘蛛。


此时,「小猎犬号」距离海岸足足有60英里,蜘蛛是怎么过来的呢?


一个自然的想法,便是认为蜘蛛靠着海风,「御风而行」,抵达船上。


蜘蛛翘起腹部,射出蛛丝,然后风拉着蛛丝、拖着蜘蛛,漂洋过海:



但达尔文却发现了疑点——不论有风无风,或是在极其微弱的海风之下,船上的蜘蛛都能腾空而起;而且,蜘蛛似乎只在微风之时起飞;同时它也不会将蛛丝射出来……


达尔文没有给出解答,直到最近,布里斯托大学的两位科学家,Erica L. Morley 和 Daniel Robert,给出了解答:


蜘蛛利用电场飞行

御电而行,蜘蛛如何做到?电场又从何而来呢?


其实,大气层中存在着强烈的电场,地面带负电,云层带正电。这一电场平时有100V/m,阴雨天气时甚至能达到10,000V/m。


我们之所以难以感知,是因为空气的电容很小,我们自身就可以改变周边电场的分布,使得我们周边的电场减弱。

参见《费恩曼物理学讲义》,电磁学部分


地球上的电荷,以及大气中的电场

蜘蛛靠近地面,蛛丝就会带上负电,从而被天空的正电吸引,从而飞向天空。


但蜘蛛身上的电荷足够吗?不够也不要紧,蜘蛛可以爬上树冠、枝桠,这些尖锐的地方,使得自身所带的电荷更多。



导体尖端带电会更多

此时,蜘蛛翘起腹部,分泌蛛丝,就可以靠着地球的电场,御电而行。


理论上看起来没有毛病,但科学需要实验验证。


Erica L. Morley 和 Daniel Robert设计了一个实验:



实验容器的电势分布(左)与场强分布(右)

将蜘蛛放在密闭的容器中,隔绝空气流动、外部电场,然后,再在里面施加电场,强度与自然环境下一致。


蜘蛛果然飞了起来!而且,如果调整电场的强度,他们还可以控制蜘蛛的飞行速度!



飞行的蜘蛛

这是个巧合吗?还是蜘蛛有意为之呢?


要回答这个问题,首先要回答的,就是「蜘蛛能否感知到电场」?


答案是肯定的,而且方式颇为有趣


蜘蛛用腿毛感知电场



蜘蛛的腿毛可以感知电场

不同的电场强度,会使得蜘蛛的腿毛朝向产生巨大的变化,从而能被蜘蛛感知到。


而且,蜘蛛在起飞之前,会有一个独一无二的动作:踮脚(tiptoeing)。这个动作,只有起飞之前会观察到,说明蜘蛛确是有意为之。


电场强度不同,「准备起飞」的蜘蛛数量也大不相同:



蜘蛛能对电场作出反应

如图中C、D两幅,就显示了不同场强下,蜘蛛踮脚次数的差异。很明显,蜘蛛不光感知到了电场,还能对它作出反应。


故曰:「列子御风而行,泠然善也;蜘蛛御电而行,犹亦善也」


参考文献

1. Morley, Erica L., and Daniel Robert. “Electric Fields Elicit Ballooning in Spiders.”Current Biology28, no. 14 (July 2018): 2324-2330.e2.https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.05.057.


2. ED YONG. “Spiders Can Fly Hundreds of Miles Using Electricity.”The Atlantic(blog), July 5, 2018.https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/07/the-electric-flight-of-spiders/564437/.


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