这是一只鸟,是一架飞机,是……反重力的蜘蛛!

2020年10月27日

蜘蛛对许多人来说是一种普遍的恐惧,但是令人困惑的行为表明它们实际上更加可怕,或者更有趣,具体取决于您对这些8脚的令人毛骨悚然的爬行的立场。事实证明,有些蜘蛛可以漂浮在数百英里处,有些甚至被发现在地面上方超过两英里处。这些无翅生物如何空降?布里斯托大学的研究人员使用模拟和物理实验来帮助您了解这个古老的谜团。

蜘蛛,到处都是蜘蛛!

从1831年到1836年,查尔斯·达尔文(Charles Darwin)在HMS小猎犬(HMS Beagle)周围航行。在这艘船上,他担任博物学家,用他的日记充满观察动植物。1832年的万圣节,达尔文在船甲板上目睹了一些怪异的东西:数百个微小的浮动眼睛凝视着他。这些眼睛属于蜘蛛的巨大菌落。这艘船靠近岸边,达尔文知道那些小流浪者必须走很长的距离才能登上船。达尔文在他的日记中写:“我抓住了一些至少60英里的航空蜘蛛。”

最近,在2015年,这种现象发生在澳大利亚的南部塔布兰兹地区,当时据报道,数以百万计的蜘蛛从天上下降。这次大规模蜘蛛跳伞活动导致大量的丝网覆盖了这片土地,使它看起来像是一场暴风雪!

这种奇特的蛛网行为被称为气球,或者当蜘蛛爬上尖尖的表面(例如树枝或草叶片)时,将腹部抬到天空,从尖顶上释放丝绸,然后发射到空中。

8张图像的拼贴画,显示了大蜘蛛的气球行为。
大蜘蛛中气球的观察性研究。Cho M,Neubauer P,Fahrenson C,Rechenberg I.CC BY-SA 4.0, 通过Wikimedia Commons

在整个历史上,这种反对重力的行为是一些蛛网和其他无脊椎动物展示的,一直是科学辩论的话题。一些研究人员认为,这种效果仅是由风引起的,将蜘蛛及其丝线漂移了数百英里,跨越了土地和海洋,而另一些则认为这与地球的电场有关。

研究重力抗重力蜘蛛的行为

布里斯托大学的研究人员埃里卡·莫利(Erica Morley)和丹尼尔·罗伯特(Daniel Robert)在物理实验和模拟的帮助下调查了这一现象。他们在2018年发表的论文当前的生物学

“在这里,我们检验了一个假设,即可以通过蜘蛛检测到与[大气电位梯度](APG)相称的电场(电子场),并且足以刺激气球。”

- 埃里卡·莫利(Erica Morley)和丹尼尔·罗伯特(Daniel Robert),当前的生物学,2018年

位于地球和电离层之间的APG是一个始终存在于大气中的电场。根据当地天气条件,它的强度和极性各不相同,在雷暴中最强。APG是地球带负电荷的表面与带正电的电离层之间相互作用的结果。众所周知,昆虫(例如大黄蜂和蜜蜂)可以检测和使用电子田,但是在莫利和罗伯特的研究之前,蜘蛛是否具有相同的电子场检测能力,这仍然是一个谜。

一个简单的示意图,显示了地球的大气和电离层。
地球的大气层和电离层。在公共领域中的图像,通过Wikimedia Commons

在讨论他们的实验和仿真工作之前,莫利和罗伯特首先谈到了围绕Arachnid飞行的理论的几个问题。

“许多蜘蛛气球都使用多股丝绸,它们以风扇状的形状张开。每条丝线都保持分开,而不是在轻型气流中缠结和蜿蜒,指出了排斥静电力的作用。”

- 埃里卡·莫利(Erica Morley)和丹尼尔·罗伯特(Daniel Robert),当前的生物学,2018年

蜘蛛的绘画在气球时,这种行为给人留下了反对重力蜘蛛的印象。
蜘蛛的丝绸链的插图。

莫利(Morley)和罗伯特(Robert-1),但模型表明,这种风条件不足以使大蜘蛛能够气球。但是,已经看到大蜘蛛表现出这种效果,进一步支持这样的假设:除了仅凭风能的空气动力学阻力,还必须有其他事情。

时间进行实验

首先,莫利(Morley)和罗伯特(Robert)捕获并引入了成年伊利酮蜘蛛(又称货币蜘蛛)到一个大型塑料盒(1 m x 1 m x 1 m),在那里每个蜘蛛都被小心地放在垂直的纸板上。整个测试都在法拉第笼室,用于阻止电磁场的外壳。在实验期间,湿度和温度水平分别在50.5%RH±5.4和21.2°±0.9的范围内测量。许多研究表明蜘蛛通常在低水平的湿度中气球

在盒子里,蜘蛛暴露于电场,类似于他们在自然环境中经历的蜘蛛,并开始在刺激之前在蜘蛛中见证过一种行为:tip脚。就像他们的假设所建​​议的那样,当电场打开时,蜘蛛开始膨胀,当关闭电场时,蜘蛛停止了反抗重力的特技中的中期。

当蜘蛛即将气球时,一张花瓣上的金钱蜘蛛的照片。
金钱蜘蛛通常长几毫米,并以其气球行为而闻名。迈克·哈钦森(Mike Hutchinson)的图像,布里斯托尔大学(University of Bristol)。

蜘蛛如何检测到电场?莫利(Morley)和罗伯特(Robert)认为,这与蜘蛛的精细机械感毛发有关,称为Trichobothria。他们认为蜘蛛的毛tho骨可以与大黄蜂的机械感觉相似,这就是什么帮助大黄蜂检测到电场。在他们的实验中,蜘蛛的毛刺头发反应并在电场打开时移动,而其他头发则没有。因此,金钱蜘蛛似乎检测到环境电场,并评估条件是否有利于气球。实际上,研究人员认为,这些微小的电感性头发可能会告诉他们在哪里可以找到这种飞行的电场。

蜘蛛的绘画和其毛刺头发之一的特写景色。
蜘蛛上的毛刺头发的插图。

由于他们的发现,莫利(Morley)和罗伯特(Robert)认为风与电场的结合是使蜘蛛散发出来的气球。

模拟电场

完成实验后,研究二人转向进行模拟研究。他们使用ComsolMultiphysics®软件进行了有限元分析(FEA),并在实验领域内的树木和电场周围生成了APF的有限元模型。

“ APG-树相互作用的模型是通过在未安置的天气中建模APG的,其电场强度为1 kVm-1或4 kVm-1。在这里,电地面在5 m的土壤下,与树具有电界。”

- 埃里卡·莫利(Erica Morley)和丹尼尔·罗伯特(Daniel Robert),当前的生物学,2018年

研究人员将实验舞台建模为纸板起飞站点(具有合适的材料特性),并且电势为空气上方的板。就像在实际实验中一样,在起飞现场下方建模了一道水。(在实验中,使用水道来防止蜘蛛逃脱)。

在他们的模型中,他们的实验舞台表面保持在地面电位上,竞技场的顶板设置为5000 V,这是其物理实验中使用的最大电压。

并排图像,比较橡树周围的电场图与一棵带有树枝的橡树的照片。
左:APG强度为4 kVm的橡树周围的电场增强电场模型-1。图片由E.L.Morley和D. Robert,布里斯托尔大学。右:荷兰的孤独橡树。JürgenEissink的图像。获得许可CC BY-SA 4.0, 通过Wikimedia Commons

重要的是要在树木及其树枝周围建模APF,因为蜘蛛经常在这样的表面上播出。(由于其尖锐的几何形状,电场周围的电场最强,这可能解释了为什么蜘蛛选择对其进行重力挑战的技巧。)

并排图像比较分支周围的电场模型和带有裸露树枝的树的照片。
左:FEA模型以4 kVm的APG强度突出显示尖的树枝周围的电场-1。图片由E.L.Morley和D. Robert,布里斯托尔大学。右:无叶分支。Tiia Monto的图像。获得许可CC BY-SA 3.0, 通过Wikimedia Commons

为什么蜘蛛会执行这种反对重力的壮举?

新孵化的蜘蛛,或蜘蛛,由于饥饿和安全原因,经常参加大规模气球活动,以便从母亲的网络中搬迁。(有趣的事实:书中说明了这种大量气球活动夏洛特的网络由E.B.白色的)。

无论他们出发的原因是什么,一些研究人员都认为这种效果在允许蜘蛛成为第一个定居新土地的物种,例如火山岛或被自然灾害摧毁的地区。

通过研究蛛网中的气球行为,我们可以进一步了解人口动态,物种分布和生态弹性 - 对于全球生态学来说都是非常重要的。

因此,如果您碰巧看到大量蜘蛛在空中漂流,那就不要惊慌。毕竟,这是科学!

进一步阅读

参考

  1. E.L.莫利(Morley)和罗伯特(D. Robert),“电场引起蜘蛛的气球”,当前的生物学,卷。28,不。14,第2324–2330页,2018年。

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