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)的過程量化了。
撰文 | 蛋炒飯
責(zé)編 | 計永勝
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在生活中我們會注意到一個有趣的現(xiàn)象：給蜘蛛一個合適的空間，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]。
他們的研究對象是一種叫做差異蟱（wú）蛛（Uloborus diversus）的蜘蛛。差異蟱蛛個體較小但很 “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)計了尺寸適宜的暗室。并且，為避免實驗過程受到外界干擾，研究人員還在蜘蛛房門貼上了 “請勿擾蛛” 的標(biāo)識（圖1）。
圖2 為記錄蜘蛛織網(wǎng)而專門設(shè)計的觀察設(shè)備，以及貼有“請勿擾蛛”標(biāo)語的實驗室大門 | 圖源[2]
破解蜘蛛織網(wǎng)流程圖
通過特定的攝像設(shè)備，研究人員可以詳細(xì)記錄蜘蛛的織網(wǎng)行為。在對21張網(wǎng)的編織過程進(jìn)行歸納總結(jié)后，研究者發(fā)現(xiàn)差異蟱蛛織網(wǎng)大致會經(jīng)歷幾個階段：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，蜘蛛織網(wǎng)并不一定會嚴(yán)格遵循這個流程，它們會對自己的網(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，差異蟱蛛會對周圍環(huán)境進(jìn)行長時間探索，這期間它們會先織出一張雜亂無章的網(wǎng)（原型網(wǎng)）。當(dāng)它覺得探索工作進(jìn)行的差不多時，會將先前織成的大部分網(wǎng)吃掉，緊接著沿一個中心向外搭建出網(wǎng)的半徑框架。然后蜘蛛會從內(nèi)向外織出一個簡單的輔助螺旋，再從外向內(nèi)織出捕捉螺旋，有時它們會在最后階段將網(wǎng)的中心織密一些，這樣便織好了一張網(wǎng)。此后，它們會停在網(wǎng)的中心一動不動，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)想到人類蓋房子的流程：蓋房前需要對土地及周圍進(jìn)行測繪，給出設(shè)計圖紙，然后進(jìn)行地基與房屋主框架搭建，接著砌墻，裝好門窗，最后對樓內(nèi)進(jìn)行裝潢。
織網(wǎng)動作有何變化？
為了在細(xì)節(jié)上對織網(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動規(guī)律。通過統(tǒng)計與模型構(gòu)建的方法，研究者發(fā)現(xiàn)，在織網(wǎng)的不同階段，蜘蛛腿部的動作與行為有所差異。
在編織原型網(wǎng)與半徑框架時，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作，而后腿主要負(fù)責(zé)從腹部拉出蜘蛛絲，這兩個階段包含較長的停頓動作。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），這一階段的停頓動作非常短。
通過總結(jié)這些特征規(guī)律，研究人員就可以通過觀察蜘蛛腿部動作大致推斷出蜘蛛正處于織網(wǎng)的哪個階段。
這個研究最大的亮點，在于對一個復(fù)雜的動物行為進(jìn)行了比較精確的定量分析。作者稱，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)藥物對其進(jìn)行處理，以確定蛛網(wǎng)編織的各個階段所對應(yīng)的神經(jīng)回路，從而進(jìn)一步理解大腦的工作機制。
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
制版編輯 | 盧卡斯
