蜘蛛織網(wǎng)也可量化？有科學(xué)家這么做了，還發(fā)了論文
蜘蛛如何織出如此復(fù)雜且具有明顯幾何特征的網(wǎng)？ | 圖源：pixabay.com
給蜘蛛一個(gè)合適的空間，它就能織出一張網(wǎng)。然后，科學(xué)家把織網(wǎng)的過(guò)程量化了。
撰文 | 蛋炒飯
責(zé)編 | 計(jì)永勝
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在生活中我們會(huì)注意到一個(gè)有趣的現(xiàn)象：給蜘蛛一個(gè)合適的空間，它就可以在其中織一張網(wǎng)（當(dāng)然，并不是所有的蜘蛛都會(huì)織網(wǎng)），這是蜘蛛的本能行為。但是蜘蛛的大腦很小，它們是如何織出如此復(fù)雜且具有明顯幾何特征的網(wǎng)的呢？
一群科學(xué)家決定拆解一下蜘蛛織網(wǎng)行為的全程，看看能發(fā)現(xiàn)什么。
圖1 蜘蛛的織網(wǎng)行為可以通過(guò)蜘蛛的軌跡與網(wǎng)的幾何形狀直接反映 | 圖源[1]
約翰霍普金斯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)系教授 Andrew Gordus 團(tuán)隊(duì)就觀察了一種蜘蛛的織網(wǎng)行為，總結(jié)出織網(wǎng)的幾條規(guī)律，并且把這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在了《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）雜志上[1]。
他們的研究對(duì)象是一種叫做差異蟱（wú）蛛（Uloborus diversus）的蜘蛛。差異蟱蛛個(gè)體較小但很 “勤勞”，全年織網(wǎng)，具有很好的耐受性。為了迎合蜘蛛的習(xí)性，研究人員精心設(shè)計(jì)了尺寸適宜的暗室。并且，為避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程受到外界干擾，研究人員還在蜘蛛房門(mén)貼上了 “請(qǐng)勿擾蛛” 的標(biāo)識(shí)（圖1）。
圖2 為記錄蜘蛛織網(wǎng)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的觀察設(shè)備，以及貼有“請(qǐng)勿擾蛛”標(biāo)語(yǔ)的實(shí)驗(yàn)室大門(mén) | 圖源[2]
破解蜘蛛織網(wǎng)流程圖
通過(guò)特定的攝像設(shè)備，研究人員可以詳細(xì)記錄蜘蛛的織網(wǎng)行為。在對(duì)21張網(wǎng)的編織過(guò)程進(jìn)行歸納總結(jié)后，研究者發(fā)現(xiàn)差異蟱蛛織網(wǎng)大致會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)階段：建造原型網(wǎng)（proto-web）→ 建造半徑框架（radii）→ 建造輔助螺旋（auxiliary spiral）→ 建造捕捉螺旋（capture spiral）→ 收尾（stabilimentum），作者將遵循該流程織出的網(wǎng)定義為典型網(wǎng)。有時(shí)，蜘蛛織網(wǎng)并不一定會(huì)嚴(yán)格遵循這個(gè)流程，它們會(huì)對(duì)自己的網(wǎng)進(jìn)行 “返工”，這被定義為非典型網(wǎng)。（視頻1）
有了織張網(wǎng)的想法后，差異蟱蛛會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間探索，這期間它們會(huì)先織出一張雜亂無(wú)章的網(wǎng)（原型網(wǎng)）。當(dāng)它覺(jué)得探索工作進(jìn)行的差不多時(shí)，會(huì)將先前織成的大部分網(wǎng)吃掉，緊接著沿一個(gè)中心向外搭建出網(wǎng)的半徑框架。然后蜘蛛會(huì)從內(nèi)向外織出一個(gè)簡(jiǎn)單的輔助螺旋，再?gòu)耐庀騼?nèi)織出捕捉螺旋，有時(shí)它們會(huì)在最后階段將網(wǎng)的中心織密一些，這樣便織好了一張網(wǎng)。此后，它們會(huì)停在網(wǎng)的中心一動(dòng)不動(dòng)，等待捕獲獵物。
圖3 蜘蛛織網(wǎng)的步驟 | 圖源[1]
這樣的織網(wǎng)流程，不免使人聯(lián)想到人類(lèi)蓋房子的流程：蓋房前需要對(duì)土地及周?chē)M(jìn)行測(cè)繪，給出設(shè)計(jì)圖紙，然后進(jìn)行地基與房屋主框架搭建，接著砌墻，裝好門(mén)窗，最后對(duì)樓內(nèi)進(jìn)行裝潢。
織網(wǎng)動(dòng)作有何變化？
為了在細(xì)節(jié)上對(duì)織網(wǎng)行為有更加深入的了解，研究者用人工智能追蹤并記錄了蜘蛛在織網(wǎng)的不同階段每一條腿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)統(tǒng)計(jì)與模型構(gòu)建的方法，研究者發(fā)現(xiàn)，在織網(wǎng)的不同階段，蜘蛛腿部的動(dòng)作與行為有所差異。
在編織原型網(wǎng)與半徑框架時(shí)，由于蜘蛛需要在陌生的環(huán)境中作業(yè)，因此與后面的階段相比，前腿更多是進(jìn)行行走與探索性的動(dòng)作，而后腿主要負(fù)責(zé)從腹部拉出蜘蛛絲，這兩個(gè)階段包含較長(zhǎng)的停頓動(dòng)作。此后蜘蛛需要將輔助螺旋與捕捉螺旋錨定在半徑框架上，因此，在這些階段前腿的行走動(dòng)作變少，取而代之的是抓住半徑框架，以便讓后腿更好地執(zhí)行梳理蛛絲與錨定蛛絲的工作（視頻2），這一階段的停頓動(dòng)作非常短。
通過(guò)總結(jié)這些特征規(guī)律，研究人員就可以通過(guò)觀察蜘蛛腿部動(dòng)作大致推斷出蜘蛛正處于織網(wǎng)的哪個(gè)階段。
這個(gè)研究最大的亮點(diǎn)，在于對(duì)一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)物行為進(jìn)行了比較精確的定量分析。作者稱(chēng)，基于蜘蛛在不同階段表現(xiàn)出的不同行為，后續(xù)階段可以使用不同的神經(jīng)藥物對(duì)其進(jìn)行處理，以確定蛛網(wǎng)編織的各個(gè)階段所對(duì)應(yīng)的神經(jīng)回路，從而進(jìn)一步理解大腦的工作機(jī)制。
參考文獻(xiàn)：
[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
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