飞蛾扑火是因为蛾子有趋光性「飞蛾扑火的原因是因为昆虫趋光吗蛾子有不一样的话要说」

每当夏天的夜晚,灯光亮起时,也就是夜行性昆虫活跃的时间。户外就不说了,即使在楼房里,多多少少也免不了有虫子绕着灯光起舞。

昆虫为什么喜欢灯光?我相信这样的问题,曾萦绕在每个孩子心头。而通常,他们得到的回答会是:因为它们就喜欢灯光。或是:因为昆虫有趋光性。

是啊,从小时候对自然开始认知起,昆虫趋光的现象和特性就被牢牢印在脑海里。比如飞蛾扑火,就被认为是最好的证明,也是昆虫趋光性的实锤证据。

但是,如果这只是人类的一面之词呢?

今天不讲历史了,聊聊昆虫趋光这件事。

就从飞蛾扑火来说起。

让我们来仔细观察一下飞蛾扑火的飞行路线。不难发现,极少有飞蛾是直接扑向灯火的,它们的飞行路线东倒西歪,似乎完全没有规律可言。感觉,就像是一个喝醉酒的人在路上行走,在摇摇晃晃尽力避开面前那一盏路灯。

对这个事,有研究人员专门做过统计,将飞蛾扑火的飞行轨迹记录了下来,它是下面这个样子的:

您瞧瞧,可不是喝醉了酒吗?

如果飞蛾那么喜欢灯光,它们为啥不直接飞向光源,那不是更省力吗,何苦要绕来绕去呢?

这就牵涉到一个问题,飞蛾扑火,真的是因为趋光吗?

这个问题,可算得上千古奇冤了,昆虫们确实是被冤枉的。从人类的角度来说,将它们的行为总结为趋光性或许也没错。不过飞蛾们会有话说,它们扑向灯火,并不是因为喜欢灯光啊,而是人造光源的受害者。

此话怎讲呢,要从昆虫导航的本能说起。

我们知道,对大部分生物而言,光线都是最重要的导航方式。人类通过辨别太阳方位确定东南西北,动物们依靠日月星辰定位和行动。对于许多昆虫而言,同样如此。

不过,因为眼睛结构的不同,昆虫眼里的自然光和我们观察到的是不一样的。

要讲到这个,还要先提一下偏振光的概念。

对于人眼来说,来自天空的光线不管方向如何,我们能感受到的只有一个变量:强度,人眼是无法直接分辨头顶的光线来自何方的。对昆虫而言就不同,它们的复眼结构就类似于偏振片,就像一个筛子,只允许平行于偏振方向的振动通过,于是进入复眼的光线是具有一定振动方向的光,这就是昆虫依靠光线导航的本领。

再举个3D电影的例子,大家可能会更容易理解一点。

3D电影用两个摄像机同时拍下一个物体的两个画面,放映时把它们同时投映到银幕上。如果我们不戴3D眼镜,看银幕就会有重影,3D眼镜的镜片就相当于两个偏振片,它们分别与左右放像机的偏振方向相同。这样,两个画面分别通过两个眼镜观察,在观众脑海里就形成了立体化的影像。

昆虫就是戴上3D眼镜观察世界的生物,自然光赋予它们导航的能力。这可以追溯到寒武纪时期出现有眼睛的生物起。从生物出现眼睛开始,这个感光器官就指引着它们通过光源来给自己的行动导航。眼睛的出现是如此重要,以至有科学家把进化出眼睛认为是寒武纪生命大爆发的原因。

比如著名的三叶虫,它已进化出了六边形的复眼,能通过感受天空的偏振光来辨别方向。

后来,昆虫们进化出了更加复杂的眼睛。蜜蜂有三只单眼和两只复眼,每只复眼里有6300个小眼,这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳方位,然后以太阳为定向来判断方向。所以蜜蜂在野外找到花丛后,能准确无误地把它们的同伴带到找到的那一簇花丛。

对于昆虫的导航问题,科学家还专门研究过帝王蝶的迁徙来作为研究,得出的结论也是如此,这群小昆虫能完成上千公里的迁徙,依靠的就是天空的偏振光。

人类早就认识到了偏振光的现象,虽然人眼不能分辨偏振光,但并不等于不能利用偏振光。

在维京人称霸北欧的时候,指南针并没有被引入,他们在茫茫大海上保持航向,利用的就是偏振光。维京人利用被称为太阳石的方解石辨识方向,它实际上是晶体的碳酸钙,由于其特殊的晶体结构,能把自然光分解为两道偏振光。所以,维京人能利用阳光来确定方向,即使看不到太阳,太阳石也能提供大概的方向,让他们不至于偏航。

在美剧《维京传奇》中也有这些细节,维京人利用这种技术远航在北大西洋上,并成为了最早抵达北美洲的欧洲人。

如此也解释了昆虫为什么不直接飞向日月星辰,它们只是通过综合参考自然光的方位和天空光的偏振来进行导航而已。飞向太阳?有病吧!智商正常的虫子没有一只会有这个想法。

好了,弄清楚了导航问题,我们也就大概能清楚昆虫为什么喜欢追逐光源,对昆虫而言这并不是因为趋光性,而是因为依靠光源导航的本能。

昆虫依靠这种方式进行了数亿年的导航,日月星辰没啥变化,从来也没出过什么篓子。

直到,人类学会了用火。

火光通常在夜晚被点亮,在一定范围内它们比自然光源近得多,在距离够近的情况下,强度也是自然光不能比的。更强烈的刺激下,昆虫上亿年的本能,就会驱使它们误将比天体距离近得多的火光当作参照物来进行导航。

与自然光源不同的是,因为距离极近,人造光源无法为昆虫正确导航,它们呈现的是中心放射状。这和自然光源有本质不同——距离极远的自然光源到达地面时已经接近平行光。

所以昆虫们就悲剧了,还拿蛾子来说,从它复杂的,醉酒般的飞行轨迹可以看出,它们恰好不是因为趋光,而是正相反。蛾子自然以为按照与光线的固定夹角飞行还是在飞直线,结果飞着飞着发现不对,它们不断调整飞行角度,避免撞上灯光。但本能的作用是无法抗拒的,就像我看到地上有一张一百元,一定会想去捡一样。蛾子的本能驱使它直线飞向灯光,但它的大脑是抗拒的,大脑发现问题所在:啊不对啊,我不能这么飞啊!该死,得调整角度才行!

就在这样思想与本能强烈的斗争下,蛾子飞出了自己也不知道是什么鬼的路线,最后它还是一步步扑火而去,舍身成仁了。

这就是飞蛾扑火的真相。

这个道理,还能通过在南北磁极使用指南针的例子来得到证实。在地球南北极,指南针并不会指向我们想要的正南正北。由于距离磁极很近,它会指向附近的磁极点。这就跟人造光源的放射状波形类似,磁力线以磁极为中心放射,我们如果在南极跟着指南针走,就会像蛾子一样走出螺旋形的轨迹,最后到达磁极。

人类可以不用指南针,蛾子可没那么多选择。如果灯灭了,它也就恢复正常了,如果灯常亮,它就只能那样徒劳无功地螺旋形飞向灯火。

人类将昆虫的这种行为称为正趋光性。蛾子要是知道了,内心会是崩溃的:趋光?趋光我咋不向太阳飞,向月亮飞呢?亮瞎眼不说,会被烤焦的好不好!

当然,也不是所有昆虫都会奔向光源,看到光源反而会远离的也不少,比如让我们痛恨的蟑螂,相应的,这被称为昆虫的负趋光性。出现如此差别的原因,被认为是像蚂蚁、蟑螂这类昆虫不依靠光源导航有关,蚂蚁可以依靠太阳定向,但它们认路主要通过触角和嗅觉来进行气味导航。蟑螂就更厉害了,最新的研究发现,蟑螂具有类似哺乳动物的导航能力,它的头部有一个“内置GPS”,可在周围环境中导航,并发现新的寄生地点。

而蜜蜂、金龟子、飞蛾这些依靠光线导航的昆虫就没这么幸运了。如果要昆虫们来说,它们就是人类制造出光污染的受害者,仅此而已。

飞蛾扑火是因为蛾子有趋光性「飞蛾扑火的原因是因为昆虫趋光吗蛾子有不一样的话要说」

飞蛾真的是因为趋光,所以扑火?

" 飞蛾扑火 "是一种自然现象,但其原因却一直被人们误解为趋光性,而实际上并非如此,尤其是飞蛾,知乎上有一个提问叫《昆虫为什么不会因趋光性齐刷刷地奔向太阳?》,这个问题提得很好,因为光看到这个标题,心里就已经开始对“趋光性”表示怀疑了。
其实,飞蛾扑火并非因为喜欢亮光所以扑火,其主要是利用亮光为自身导航,例如在晚上,飞蛾会利用月光导航,其实就是在不出意外的情况下尽量保持直线飞行,毕竟直线最短。

自从这世界上有了蛾子,好像这一切都显得很自然而然。但是,后来人类学会了使用“火”,这种人造的光源与自界中的太阳光或反射太阳光而形成的月光的一个显著的区别是:人造的多为点光源,如烛光,而日光或月光可以近似看作平行光,但是人类学会使用火的历史相对于蛾子出现的历史显然是足够短的,并且人类对大自然的影响毕竟有限,还远远做不到对蛾子进行自然选择以教会世界上所有的蛾子区分自然光与人造光,所以蛾子还是当年那个动不动就扑火的蛾子,但人类却渐渐看清了其“扑火”的真相。

由于飞蛾习惯了自然界中的平行光,会认为,只要和光线保持一定的夹角不变,其飞行轨迹就是直线了。这就好比,“猫走不走直线,取决于耗子;蛾子飞不飞直线,取决于光线”。在只有微弱月光的夜晚,飞蛾本来飞得好好的,结果靠近了一个亮得多的烛光,烛光的光线呈现放射状,假设飞蛾飞行轨迹和烛光的圆心点位于同一平面,而且飞蛾飞行方向与光线方向始终保持45°(当然也可以是其他角度,这里是为了方便计算),那么,显然其运动轨迹将是“等角螺线”!

上面的图如果难以令人信服的话,那么还有延时摄影图为证:

飞蛾就傻傻地一圈圈靠近光源,直到遇到火,然后就没有然后了。

不过今天突然就觉得不妨计算一下这种轨迹,想看看到底等角螺线是个什么鬼,对,就是吃饱了撑的。可能是看了微分方程之后就对所有速率、倾角啥的特别来电!

假设烛光在坐标原点,飞蛾的位置为( x , y )点,先把飞蛾位置放在第一象限,这样方便计算,那么设飞蛾与烛光连线后与X轴正方向的夹角为 α

显然有tan α = y / x 。设飞蛾的飞行路径为 y = y ( x ),则有:

由此得到齐次微分方程:

采用逆代法,令 z = y / x ,则有 y = zx ; y = zx z .

所以有:

两边积分:

这个通解的样子挺难看的,我们用极坐标表示吧!

完美!感谢Euler Formula~

得到的是堪称完美的指数螺旋线,自然界中这种绕一点的等角度运动形成的就是以自然底数为底的指数螺旋曲线。比如,海螺什么的,这或许是自然底数之所以谓之“自然”的一种原因吧。

关于自然底数的由来,请微信公众号“科研狗”,公众号ID:researchdog 的下一期推送《 自然底数e怎么就“自然”了? 》。

飞蛾扑火是因为蛾子有趋光性「飞蛾扑火的原因是因为昆虫趋光吗蛾子有不一样的话要说」

飞蛾为何扑火,光亮对他们有那么大的吸引力吗?

光亮对于飞蛾而言,确实是有非常大的吸引力。因为它飞蛾是属于昆虫界的,而在昆虫界里面有一个非常常见的特性就是趋光,因为昆虫它们是需要用光线的知道他们去寻找食物和搜寻繁殖的地方,所以说光亮对于飞蛾而言其实就相当于是一种信号,所以光亮对于飞蛾也有非常大的吸引力。

飞蛾是没有高级思维能力的动物,所以说飞蛾之所以会扑火的第1个原因,绝对不是因为飞蛾想要自杀,所以飞蛾之所以会对光亮有那么大的兴趣的真正的原因,就是因为这一种光亮对于飞蛾而言会有信号的作用。

因为在黑夜里面有一些夜里行动的动物,他们是需要大自然里面微弱的光线来进行导航的,而在人类发明人造光源以前,当时的大自然其实主要是靠星星和月亮这些光线来引导这些昆虫的飞行的,所以说在当时的昆虫他们会为了自己的飞行路线的平稳,会寻找一个远方的光源作为参照品,所以这个光源对于他们研究像一个地磁场一样引领着他们前进。我们所说的飞蛾,它对于光线而言是有非常敏锐的捕捉能力的,所以说飞蛾之所以会扑火,主要是因为他们的生物的本能,这是他们的进化的所趋势,只不过说后面的时候,因为人造光源的出现导致了飞蛾,它在这一个寻找光源的时候发生了混乱,而最后导致扑火而死。

并且如果我们认真观察过飞蛾它被蜡烛这些人造光源吸引之后,其实会发现飞蛾对于这一些人造光线,他们是进行的是绕火而并非是扑火,所以说当时的飞蛾它主要是以环绕人造光源的情况,他们是在接受这种信号的指引。而一些会扑火的飞蛾,可能是因为在当时的光源里边可能会发射出一些类似于昆虫求偶的信号,或者是一些其他的信号被飞蛾扑捉到,所以说在这样子的情况的诱导下面飞蛾就对当时的人造光源做出了扑火的行为。

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