明明拍到的苍蝇怎么又飞起来了？因为它们是“苍蝇侠”

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2023-06-09 14:06

图片来源：AMC

撰文 | 不周

审校 | clefable

“嗡……”屏声静气，瞄准目标，用力挥动手臂拍上去。不需要张开手，你就知道自己失败了。因为“嗡嗡”声再次响起，空中又划过它快乐灵活的身影，仿佛在嘲笑你笨拙的动作。

不服气的你奋起追着苍蝇在房间里跑上几圈，终于功夫不负有心人拍到它时，一定会收获极大的满足感！（当然如果始终追不到的话，你可能需要平静一下自己狂躁的内心。）

图片来源：Pixabay

然而，生命有时就是如此神奇，当你正气喘吁吁，洋洋得意之时，你发现这个小东西又颤颤巍巍地飞起来了，飞起来了！明明打到它了，为什么它还能飞起来？不禁自我怀疑，究竟有没有拍到它？

超能力1：慢动作看世界

苍蝇的大脑比你的大脑小约100万倍，它们并不聪明。毕竟，这些昆虫会一个接一个地跳入致命的捕蚊灯。但每当我们试图以肉身捕捉或攻击这种小生物，却总像是在被它戏耍一般。事实上，无论你以为自己的动作有多快，在苍蝇眼中都是慢动作。

和多数昆虫一样，苍蝇拥有一对复眼。它的每一只眼睛都是由一大簇微小的、独立的透镜单元（也就是小眼）组合而成。每只小眼都能独立地捕捉光线，看到天空的角度各不相同。本质上，这一个个小眼就构成了果蝇视觉的单独像素。与人类数百万个像素相比，苍蝇看到的世界分辨率非常低。但捕捉动作的能力却不取决于分辨率。

所有动物，包括人类，本质上都是像看电影一般捕捉着周围环境的信息。世界无疑是连续的，但我们的视觉系统却是在以一个特定频率（临界闪烁频率）拍摄单张图像，再从眼睛传回大脑并拼凑到一起。只有高于这个频率的画面，在我们看来才是连续的。

闪烁频率由低到高，光点看上去也由闪烁变得连续。
视频来源：Patricia Cisarik

人类每秒最多能看到约60次闪光，而一些苍蝇的复眼能看到250次左右——比人类整整快了四倍。如果你把一只苍蝇带去电影院，流畅的电影画面在苍蝇看来就是一帧帧静止的图像，像幻灯片一样。与你我相比，苍蝇本质上是以慢动作看世界，因此它们的反应速度在我们看来就像超能力一般快。

超能力2：我有特殊的起飞技巧

但捕捉动作快慢的能力强，并不能帮助苍蝇逃离人类的“魔爪”，更重要的是，它们在发现危险时能够瞬间从静止位置起飞。对于所有飞行动物（甚至包括飞行器）而言，整个飞行的启动过程都是最为核心的阶段。它们需要在短时间内产生显著的升力，同时必须保证这个过程具有稳定性，能够抵抗一定程度的扰动。而不同昆虫的起飞策略可能会略有不同，一些苍蝇主要通过腿部伸展提供初始升力，跳跃起飞；另一些如蚊子、悬停苍蝇等则主要靠扇动翅膀提供升力。

双翅目蝇中的有瓣蝇类（Calyptratae）都有一对后翅，它无法为苍蝇提供任何向上的升力，已经退化（也可以说是进化）为一种被称为平衡棒（halteres）的机械感受器。而平衡棒的作用类似陀螺仪，它能感知身体的旋转，帮助昆虫保持身体的平衡。在有瓣蝇类苍蝇静止时，它们总会规律地扇动后翅，但这种行为会造成哪些影响一直尚未得到解答。但科学家能观察到，有瓣蝇类苍蝇的起飞速度远高于其他蝇类。

2021年，科学家移除了一些有瓣蝇类苍蝇的平衡棒后发现，这些苍蝇的腿部伸展速度变慢，导致起飞的速度也变慢，且更加不稳定。科学家推测，苍蝇后翅的摆动能够提升它们的感官信息量，且这种信息无需经过任何中枢神经系统，能直接传递到腿部。这使得苍蝇能够像条件反射一般快速起飞。此外，平衡棒的激活很可能有助于苍蝇在飞行开始前“预热”，使它能从静止站立快速过渡到跳跃起飞。

超能力3：”免疫“伤害与抵抗扰动

但机警如苍蝇，还是免不了被我们打中。没错！有时候我们真的能拍到它。只是敌人还有一招：”免疫“伤害。更准确地说，是部分“免疫”。排除掉实打实地拍到静止在某一平面上的苍蝇这种情况。当我们拍到半空中的苍蝇时，空气总是会更加优待这些质量极小的生物——它们可以感知到气流的变化，快速地反应逃离；或者干脆被手和它之间的空气推离原位（这就是苍蝇拍需要有很多洞的原因）。而小型生物的身体强度总是会更高，因此我们手臂挥出的力其实很难对它造成致命的伤害。

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理论上，当我们攻击一些飞行生物时，翅膀总是最为脆弱的要害。那么纵使我们没能直接拍死苍蝇，也总能破坏它脆弱的翅膀，使它掉落在地。为什么它还能飞？这就不得不赞叹一下生命对于扰动的抵抗能力。

看似弱小的昆虫，对身体的自然损伤有着相当强的抵抗力。在很多节肢动物中，蜕皮、疾病、捕食、择偶这些生存过程，随时都可能造成身体受损。据2007年一项对节肢动物自然种群的调查显示，某些节肢动物种群中近40%都至少缺少一个完整的附肢。这样的比例在我们人类看来是不可思议的，但同时也验证了：在自然状态下，扰动或许是常态，而非小概率事件。

然而，对于飞行昆虫而言，翅膀上一点细微的破损，可能就会造成毁灭性的影响。因为不对称的身体必定会导致不对称的空气动力，从而迅速地破坏它们飞行时身体的稳定性。与同样擅长飞行的鸟类、蝙蝠不同的是，昆虫无法靠自身修复翅膀的损伤。因此它们不得不借助神经系统和机械系统的耦合来补偿这种损伤导致的扰动。

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苍蝇也对翅膀损伤有很强的抵抗力。当损伤在一定范围内，它们可以通过由感官反馈驱动的机械调节机制保持稳定，这样会牺牲部分飞行性能（比如速度），但不会改变内部神经系统的控制[1] 。或者它们也可能会随着时间推移，自适应地改变内部控制，从而保证足够的飞行性能。后者比较类似于飞机在飞行过程中消耗燃料、质量减少，从而需要改变自动驾驶的控制参数保证飞行稳定的过程。这两种机制并不是互相排斥的，但科学家想要梳理苍蝇如何协调二者之间的关系，从而更深入地理解扑翼飞行（像昆虫或鸟类这样上下扑动翅膀升空的飞行方式）的机制。

在去年11月发表于《科学·进展》（Science Advances）上的一项研究中，科学家搭建了一个圆柱形的虚拟现实飞行场地，并在场地中央的顶部和底部放置了两块磁铁。研究人员在果蝇（D. melanogaster）胸部粘上了不锈钢针，并把它用钢绳束缚在两块磁铁之间，这样果蝇就只能在中间这个平面绕轴转动。场地周围的一圈屏幕可以为果蝇提供视觉刺激，从而测试果蝇的视神经反应。

图片来源：原论文

为了研究翅膀损伤带来的影响，研究人员用微型剪刀沿着径向剪掉果蝇的一部分左翅作为实验组，而双翅完整的果蝇则作为对照组。通过100fps的高速摄像机捕捉果蝇运动，研究人员能够收集果蝇每只翅膀的扑动幅度、扑动频率以及腹部位置的调整。结果显示，单侧翅膀损伤会导致果蝇翅膀的扑动频率提升，这会导致空气阻力也随之提升。由此可见，果蝇会主动提升空气阻力，降低飞行速度，但能保证飞行的稳定。同时研究人员还观察到，果蝇为了弥补机翼损伤带来的扭矩不对称，会主动偏移调整自己腹部的位置，而这一过程也会影响果蝇的视觉响应。这项研究充分展现了苍蝇对翅膀损伤的适应性能力，这或许会对提升昆虫型机器人的容错能力具有重要意义。