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蜘蛛织网也可量化?有科学家这么做了,还发了论文

蜘蛛如何织出如此复杂且具有明显几何特征的网? | 图源:pixabay.com

导  读

给蜘蛛一个合适的空间,它就能织出一张网。然后,科学家把织网的过程量化了。

撰文 | 蛋炒饭

责编 | 计永胜

在生活中我们会注意到一个有趣的现象:给蜘蛛一个合适的空间,它就可以在其中织一张网(当然,并不是所有的蜘蛛都会织网),这是蜘蛛的本能行为。但是蜘蛛的大脑很小,它们是如何织出如此复杂且具有明显几何特征的网的呢?

一群科学家决定拆解一下蜘蛛织网行为的全程,看看能发现什么。

图1 蜘蛛的织网行为可以通过蜘蛛的轨迹与网的几何形状直接反映 | 图源[1]

约翰霍普金斯大学神经科学系教授 Andrew Gordus 团队就观察了一种蜘蛛的织网行为,总结出织网的几条规律,并且把这些发现发表在了《当代生物学》(Current Biology)杂志上[1]。

他们的研究对象是一种叫做差异蟱(wú)Uloborus diversus)的蜘蛛。差异蟱蛛个体较小但很 “勤劳”,全年织网,具有很好的耐受性。为了迎合蜘蛛的习性,研究人员精心设计了尺寸适宜的暗室。并且,为避免实验过程受到外界干扰,研究人员还在蜘蛛房门贴上了 “请勿扰蛛” 的标识(图1)。

图2 为记录蜘蛛织网而专门设计的观察设备,以及贴有“请勿扰蛛”标语的实验室大门 | 图源[2]
 

1、破解蜘蛛织网流程图 

通过特定的摄像设备,研究人员可以详细记录蜘蛛的织网行为。在对21张网的编织过程进行归纳总结后,研究者发现差异蟱蛛织网大致会经历几个阶段:建造原型网(proto-web)→ 建造半径框架(radii)→ 建造辅助螺旋(auxiliary spiral)→ 建造捕捉螺旋(capture spiral)→ 收尾(stabilimentum),作者将遵循该流程织出的网定义为典型网。有时,蜘蛛织网并不一定会严格遵循这个流程,它们会对自己的网进行 “返工”,这被定义为非典型网。(视频1)

有了织张网的想法后,差异蟱蛛会对周围环境进行长时间探索,这期间它们会先织出一张杂乱无章的网(原型网)。当它觉得探索工作进行的差不多时,会将先前织成的大部分网吃掉,紧接着沿一个中心向外搭建出网的半径框架。然后蜘蛛会从内向外织出一个简单的辅助螺旋,再从外向内织出捕捉螺旋,有时它们会在最后阶段将网的中心织密一些,这样便织好了一张网。此后,它们会停在网的中心一动不动,等待捕获猎物。 

图3 蜘蛛织网的步骤 | 图源[1]

这样的织网流程,不免使人联想到人类盖房子的流程:盖房前需要对土地及周围进行测绘,给出设计图纸,然后进行地基与房屋主框架搭建,接着砌墙,装好门窗,最后对楼内进行装潢。
 

 2、织网动作有何变化?

为了在细节上对织网行为有更加深入的了解,研究者用人工智能追踪并记录了蜘蛛在织网的不同阶段每一条腿的运动规律。通过统计与模型构建的方法,研究者发现,在织网的不同阶段,蜘蛛腿部的动作与行为有所差异。

在编织原型网与半径框架时,由于蜘蛛需要在陌生的环境中作业,因此与后面的阶段相比,前腿更多是进行行走与探索性的动作,而后腿主要负责从腹部拉出蜘蛛丝,这两个阶段包含较长的停顿动作。此后蜘蛛需要将辅助螺旋与捕捉螺旋锚定在半径框架上,因此,在这些阶段前腿的行走动作变少,取而代之的是抓住半径框架,以便让后腿更好地执行梳理蛛丝与锚定蛛丝的工作(视频2),这一阶段的停顿动作非常短。

通过总结这些特征规律,研究人员就可以通过观察蜘蛛腿部动作大致推断出蜘蛛正处于织网的哪个阶段。

这个研究最大的亮点,在于对一个复杂的动物行为进行了比较精确的定量分析。作者称,基于蜘蛛在不同阶段表现出的不同行为,后续阶段可以使用不同的神经药物对其进行处理,以确定蛛网编织的各个阶段所对应的神经回路,从而进一步理解大脑的工作机制。

 

参考文献:

[1] Corver et al., Distinct movement patterns generate stages of spider web building, Current Biology (2021), https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.09.030

[2] https://www.youtube.com/watch?v=XHS5MOg5dyc

制版编辑 卢卡斯

 



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