高跟丝袜 论飞舞技巧，最强的可能是一只苍蝇
寰宇上最早的飞舞生物领有一整套安妥性特征高跟丝袜，匡助它们在太空中飞舞。
虫豸是寰宇上最伟大的“调动者”，但对于大多数东谈主来说，它们天真就是贫乏。六月鳃角金龟握住地撞向反光的玻璃，蚊子在咱们的耳边嗡嗡作响。与其说抚玩飞虫，东谈主们更倾向于拍打它们。可是，对于盘问虫豸升起的私密的盘问者而言，这些长着翅膀，飞驰太空的小生命创造了令东谈主叹服的遗址。
虫豸是地球上最早飞舞的生物，其飞舞的历史不祥回首到四亿年前。跟着时辰推移，虫豸进化出了一系列令东谈主咋舌的安妥性特征，匡助它们在太空中飞舞。其他生物存在着各式各样的问题而弗成飞舞，而虫豸却自行发明了一系列调动决议。家蝇的内置陀螺仪让不祥紧贴厨房台面飞舞，独到的翅膀指点模式不祥让它们像直升飞机一样悬停。科学家们组建了一支跨学科团队，在宏不雅与微不雅层面中探寻踪影，以求缓缓弄清虫豸飞舞的机制。
“这的确是一个从宏不雅法子跨越到分子法子的问题，”来自加州理工学院的生物学家和神经科学家迈克尔・狄金森（Michael Dickinson）说谈。狄金森正在盘问黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）的各式活动，包括飞舞。“我知谈有些东谈主在盘问飞舞肌神经元分子，还有一些共事正在利用雷达跟踪跨越英吉祥海峡的虫豸。天然，其他科学分支也可能相同具备如斯之广的盘问范围，仅仅一丝已矣。”
经过连续的进化，虫豸的飞舞方式变得种种化，科学家们的盘问要津也在升级。18 世纪的博物学家首先运转盘问虫豸飞舞，他们相等依赖实地不雅测和通俗实验，比如说移除虫豸形体的某一部分，来盘问移除的部分对其适度飞舞的影响。
如今，虫豸飞舞盘问劝诱了来自神经科学、空气能源学、虫豸学和其他学科配景的稠密盘问者。盘问东谈主员讹诈了一系列的测量技巧，见效解释了飞蛾在夜间飞舞的旨趣，并探索出了蜻蜓在空中悬停的旨趣。数学方程揭示了虫豸飞舞的物理机制，而高速录像机让盘问者们不祥仔细地不雅察被拴住的虫豸在空中的独到飞舞方式；基因改造工夫和显微工夫不错用于盘问适度飞舞机制的肌肉组织，诬捏飞舞模拟器不错让被拴住的虫豸以为我方真的在空中飞舞。
“这是进化的遗址，”康奈尔大学的表面物理学家和虫豸飞舞盘问者简・王（Jane Wang）说谈。王正在盘问蜻蜓的飞舞。而濒临这一课题，即就是最新的科技也窝囊为力。举例，高速录像机也不及以精确跟踪蜻蜓翅膀的指点轨迹。
即便如斯，这些工夫足以让盘问者们识别出来诸多虫豸为了飞舞而进化出来的安妥性特征。许多安妥性特征王人行状于虫豸飞舞的最蹙迫动机：养分补给。“诚然苍蝇飞舞是为了找到伴侣或者保卫领地，”狄金森说，“但大多数虫豸飞舞是为了觅食。虫豸就像是会飞的鼻子。”
当谈到果蝇探伤气息的才气时，迪金森不得不保持克制。
“科学家不应该说出‘难以置信’这么的词，”迪金森惊奇谈，并再行证实了一遍他所见过的果蝇的数目。这些果蝇不祥在几公里除外的开朗原野中跟踪到发酵生果和酵母开释的气息。“这一发现令东谈主畏忌，”他说谈，“但这并不是魔法，仅仅因为果蝇的感觉极其明锐，况且在跟踪气息的历程中至极贤达。”
尽管果蝇的感觉器官至极出色，但果蝇之是以不祥找到布满黑斑的香蕉，或羽觞中的残渣，是因为它们领有一套高效的三步搜索法。
一个多世纪前，盘问者们曾初次不雅察到三步法中的前两步。果蝇日常会转向气息的见识，随后，沿之字形往返飞舞，直到找到气息的泉源。揭示第三步则需要用到风洞和三维指点跟踪相机系统。2014 年，迪金森和其时如故他实验室里盘问生的生物学家弗洛里斯・范・布雷格尔（Floris van Breugel）发表了一项盘问，贵重描摹了果蝇在风洞中对于瞬时喷发酒精的反馈。酒精频繁出面前退步生果中。在果蝇忙于追赶气息时，盘问者们纪录下 5 万余条飞舞轨迹。
情色小说和一个世纪前的不雅测效果疏导，启程点，果蝇会转向气息的见识，沿着歪斜角，呈之字形前后飞舞，并均匀地在竖直见识和水平方进取搜索气息泉源。随后，它们会在投影到风洞墙壁和大地上的高对比度的图形的旯旮处盘旋。
要是莫得酒精，果蝇会造谣在相同的图形周围的盘旋时辰。这一丝使得盘问者怀疑，果蝇把气息行为念寻找图形的踪影，最终引导它们找到生果。
访佛的实验标明，蚊子也会有疏导的活动，不外，蚊子跟踪的气息是二氧化碳（它们靠东谈主类呼出的气体来锁定叮咬的蓄意）。吸血虫豸也会跟踪热量来找到宿主。蚊子在跟踪到二氧化碳后会在高对比度的蓄意周围盘旋，最终在接近蓄意时，通过感知蓄意身上的仁和区域进行探伤。
这些搜索要津不祥匡助虫豸寻找食品。可是，一些虫豸的飞舞需要持续至极长的距离。蜜蜂觅食时，会飞舞几公里来寻找食品，而君主蝶则需要飞舞数千公里才能找到过冬的栖息地。
不祥让虫豸完成这些豪举的是它们的大脑，而非翅膀。
扫数飞虫王人有一套在进化早期造成的中枢导航系统。“这是一种陈腐的领悟，”狄金森说谈。“在进化历程中，这套陈腐的导航系统历经反复修正，但在飞舞系统中并莫得滋生出许多新的东西，这讲明了这套系统自己历害常见效的。”
果蝇、蝴蝶、蝗虫、蜣螂等许多虫豸王人领有这种“领悟”。这种“领悟”使虫豸领有导航才气高跟丝袜，宛如一个避讳在虫豸大脑内的空中罗盘。
事实上，要是把果蝇放在带有透未来花板的笼子中，它们会利用太空中的记号来保持恒定的前进见识。就算围栏是旋转的，果蝇也不错通过检测偏振光来督察上前飞舞的道路。君主蝶等其他虫豸通过检测日照时辰和温度的变化来督察见识，它们的飞舞道路以致不祥与候鸟相比好意思。
大家蜻蜓是移动距离最长的虫豸之一，其萍踪遍布南极洲除外的扫数大陆。这种蜻蜓日常会缕缕行行地跨越海洋。长距离的移动，使其踏进全寰宇最具流动性的移动者之列，位列座头鲸和棱皮龟之侧。
“比起许多当代虫豸物种，这种蜻蜓的飞舞工夫好极了，”康达尔大学的盘问东谈主员简・王提到，“作为捕食者，随机，这种蜻蜓的飞舞工夫会更胜一筹。”
蜻蜓还能展望出动现象下的猎物的旅途，况且每天飞舞七英里余的距离，以致还能在空中交配。除此除外，令东谈主畏忌的是，这种蜻蜓还掌持了最耗能的指点形貌之一 —— 悬停。
悬停是一项比较艰巨的技能。为了作念到悬停，动物需要设法产生满盈大的升力，来将我方的形体拉向空中，而且弗成依赖风的匡助。因此，惟一少数动物不祥作念到。
鸟类日常借助气流来飞舞，而蜻蜓则不必。大多数飞虫不错约略地通过前后对称拍打翅膀来达成飞舞，但蜻蜓则汲取离别称的拍翅方式。简・王默示，这种战略使得蜻蜓成为“最擅长悬停的动物”之一。
在每套动作中，蜻蜓启程点将翅膀上前推，随后向下压，确保让翅膀在一个歪斜的平面内指点（其他飞虫会在水平面内前后振翅）。当整套动作斥逐时，蜻蜓的翅膀会在并吞平面内进取切割后复返，向下拍打的动作产生了进取的拉力，用以相沿虫豸的分量。
在游池塘中，咱们不错任意地不雅察到使物体保持悬停或飞舞的力量。试念念你正在水中踩水，并水平滑出手臂以督察飘浮。这访佛于果蝇的在水平面内振翅的飞舞方式。但蜻蜓校阅了其翅膀的指点模式，以达成悬停。念念象一下，不要让手臂沿直线前后舞动，而是要让掌心向下的手臂上前下方股东，随后当掌心转向太空时，手臂向后上方拿起。这就是悬停和振翅飞舞的不同之处。
当这套动作斥逐时，手臂隔壁会造成漩涡。而在空气中，恰是这些漩涡产生的升力将蜻蜓的形体进取托起。简・王默示：“骨子上，你是在把流体向下推，类比赢得虫豸的翅膀则会收到进取的浮力。”
除了悬停除外，果蝇在空中旋转和马上飘扬见识的才气相同令东谈主称奇。科学家们觉得，果蝇之是以不祥阴事苍蝇拍和卷起来的杂志，是因为它们的形体中存在一种迥殊的安妥性结构：均衡棒。
均衡棒（halteres）这一安妥性特援劝诱了大王人温煦，东谈主们形象地称之为“苍蝇的内置陀螺仪”。历经几百万年的演化后，这些棒状超过渐渐取代了苍蝇的后翅。均衡棒不错感知到苍蝇在空中的旋飘扬化，为校正位置和特技飞舞提供蹙迫信息。
“于我而言，这种变化令东谈主称奇，”简・王说谈，“果蝇设法找到了另一种进化道路，仅靠一双翅膀也能飞得很好。”
1714 年，博物学家威廉・德拉姆（William Derham）发现，经过手术去除均衡棒的苍蝇很难在空中督察悬停。自此，科学家们将均衡棒与保持均衡的功能相关起来。二十世纪，英国动物学家、虫豸飞舞盘问的创始者约翰・威廉・萨顿・普林格尔（John William Sutton Pringle）在自后对均衡棒的功能进行了愈加剧视的盘问。他于 1948 年发表了一篇对于其陀螺性质的盘问，随后在 1957 年出书了一部内容更为无为的盘问虫豸飞舞的册本。他不雅察到，失去均衡棒的苍蝇在被捆住弗成旋转时不祥再行找回均衡感，诸多身分促使他建议：均衡棒具有陀螺仪的性质。
不外，均衡棒所具有的陀螺仪性质会开荒东谈主们忽略它的其他特质。
狄金森说，“均衡棒不仅能起到陀螺仪的作用，同期亦然一个相等精确的计时器，就像一只精确的时钟一样。”
正如在跑步时，咱们的形体会连续寻找上前迈腿的最好时机，嵌在均衡棒底部的特化细胞崇拜告诉苍蝇什么时候应该收缩和收缩飞舞肌。狄金森默示，均衡棒是有着上百个感觉细胞的复杂器官。从重要关头的巨大动作到最终的巩固飞舞，这些细胞为苍蝇的扫数活动提供信息。
但直到面前，感觉细胞运作的具体方式仍待厘清。好在，新的成像工夫让狄金森和他的共事们得以证实普林格尔在 70 多年前建议的假定：即便苍蝇莫得在旋转，均衡棒的大部分细胞仍然是活跃的，其功能远不啻检测空中失衡。
“这并不是扫数虫豸王人具备的特质”，狄金森说，“均衡棒使得苍蝇领有一种迥殊的糊口模式。具体来讲，是快速作出活动反馈、沿着平直的道路飞舞和马上转向的才气。而其他虫豸则零落这种才气。”
赐与虫豸在空中糊口才气的另一个特征是均衡棒下方适度翅膀拍打的肌肉。
弯腰捡起掉地的铅笔这一约略的动作会用到几块肌肉，而每块肌肉王人由复杂的神经元（神经细胞）进行适度。飞虫前进也会用到肌肉，但飞虫讹诈了更少的肌肉完成了更多的事情。
苍蝇的复杂飞舞动作尽然只需要十几块肌肉来适度。这些肌肉集结在翅膀根部，用以援手骨子适度翅膀拍动的大型肌肉。这些微型肌肉如同风筝线一般拉扯翅膀使之变形，以改变飞舞的见识。
每块微型肌肉称作径直飞舞肌（direct flight muscles）。与翅膀径直联接，并与一个单独的神经元相接。与之比较驱动蜂鸟振翅的肌肉联接到百倍数目的神经元上。鸟类需要数百个神经元，而虫子只需要一个。
为了弄清哪些肌肉崇拜转向，狄金森团队的成员西奥多・林赛（Theodore Lindsay）和安妮・苏斯塔（Anne Sustar）使用了经过基因剪辑的果蝇，这些果蝇的肌肉在伸缩时会发光。林赛和苏斯塔将每只果蝇拴在一个固定的金属丝上，用显微镜瞄准它们细小的形体，随后扬弃在诬捏飞舞模拟器中，恰如游乐土中的旋转情理屋纯正一样。
虫豸在干预飞舞模拟器后，视线就会被旋转的 LED 全景图像包围，来模拟飞舞时的感觉。不同的图像不错诱使苍蝇向左或向右歪斜飞舞，或者令其在感知到的飞舞中尝试进行自我修正。活跃的肌肉会发光，显现出在实施特定的动作时，哪些肌肉会被用到。
狄金森觉得，这些肌肉系统的无为存在讲明了它们具有很强的安妥性 —— 尽管苍蝇早在数百万年前就依然分化为不同的进化种群，但王人保留了这些肌肉系统。这与其他发生权臣变化的特征造成对比，举例触角的方法或者气息检测要津。
行将浮出水面的问题对于虫豸飞舞的许多谜题仍然存在，但跨畛域的互助正在缓缓股东措置这些问题。狄金森指出，其中一个很有远景的战略是，让盘问感觉系统和指点系统的科学家联袂互助。
他提到，“这两个畛域正在交融，咱们中的许多东谈主王人念念弄清感官信息适度指点系统以及指点系统反向制约感官系统的方式。将这两方面的问题结合起来，是现时盘问中的一个主要蓄意。”
简・王补充谈，飞虫“配合了物理学、生理学、神经科学和你能念念到的扫数学科的旨趣，要是真的念念要领路生物的活动，你必须要有计划发达作用的扫数身分。”
诚然工夫在连续最初，但虫豸的体型依然很小，难以对其进行大范围的跟踪。况且，虫豸的体细胞则愈加细小，因此对于科学家来说，探明它们在飞舞中发达的作用并不缓慢。不外好在科学家正在缓缓措置这些难题。狄金森指出，CRISPR / Cas9 等基因剪辑工夫的出现为盘问带来了更多的可能性。
狄金森说：“在盘问虫豸飞舞的畛域中，高速照相工夫颠覆了生物力学以往的盘问技巧。而我觉得基因器用相同会对生理学和神经生物学的盘问方式产生划期间的变革。”
作家：Brendan Bane
翻译：wnkwef
审校：边颖
原文集结：Tricks and traits that let insects take flight
本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作家：Brendan Bane
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