从物理学角度解释动物吸引力:雄蜘蛛与雌蜘蛛的爱恨情仇

【字体: 时间:2021年12月09日 来源:Proceedings of the National Academy of Sciences

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  雄蜘蛛可不像男人一样有体力优势,弱小的“他”想要接近和征服“她”同时还要时刻提防被“她”吃掉,还会面临同在蛛网上的其“他”同类竞争。这错综复杂的挑战,近乎“无脑”(其实太小了)的雄蜘蛛如何处理?

  
   

"Atomic  spiders"    

图片:一只雌性旋毛虫蜘蛛(左)和一只小得多的雄性蜘蛛(右)在一起。

资料来源:动物行为研究所/亚历克斯·乔丹

这只小小的雄性金圆蛛在寻找配偶时面临着相当大的挑战。它的体型只是雌性的一小部分,但它必须小心翼翼地进入雌性的网,在不被注意的情况下接近她,如果他在她的网中走错一步,同类相食的雌性会杀死并吃掉他。这场赌博中,它还面临着来自其他雄性在微妙的蜘蛛网舞台上的竞争,这就形成了一个复杂的优化问题,甚至连人类分析师都会感到畏惧。然而,这些小蜘蛛几乎没有我们能识别的大脑。那么他们是如何管理的呢?十多年来,这个问题一直困扰着亚历克斯·乔丹和马克斯·普朗克动物行为研究所实验室的成员们。现在,他们与魏茨曼科学研究所的研究人员合作,接近了答案。

答案似乎在于动物吸引力,或者更准确地说,在于雄性和雌性在蜘蛛网的弹性表面所感受到的有效的物理力量。“我们最初的想法是探索这样一个设想,即这些在网上移动的蜘蛛的行为就像围绕原子核的电子,或者围绕恒星的行星,”乔丹是马克斯·普朗克动物行为研究所综合行为生态学实验室的负责人,也是这项研究的资深合著者。从这个最初的想法开始,一个研究项目诞生了,带领这两个团队开发一个物理模型,并在巴拿马的雨林中进行实验。

虽然精确物理学的细节最终有别于了原子和宇宙的水平,但这个概念被证明是有用的。乔丹说:“想象一下,电子绕着原子核旋转,或者太空中的大质量恒星,大到产生自己的引力场,吸引周围的物体——巨大的、同类相食的雌蜘蛛也可以用同样的方式来思考。”“现在想象一下,更小的行星、卫星或彗星正靠近这一吸引力——这些是我们微小而勇敢的雄蜘蛛。”过快或以错误的角度接近恒星(或雌蜘蛛),就有被她吸引力捕获的风险。在宇宙范围内,这将导致宇宙碰撞,使行星蒸发。对于勇敢的雄蜘蛛来说,不正确的方式意味着陷入致命的诱惑,最终成为猎物。

“我在巴拿马的热带雨林工作,我见过过于热心的雄蜘蛛多次沦为同类相食的雌蜘蛛的猎物,尤其是当它们走错了路,或太快接近雌蜘蛛时,”西尔维亚·加尔扎(Sylvia Garza)是这项研究的合著者,她在巴拿马读了几个月的硕士,记录雄蜘蛛和雌蜘蛛的行为,然后使用机器学习方法跟踪它们的每一个动作。

就像较小的行星有自己的引力一样,雄蜘蛛也会相互吸引——一开始会接近被认为是对手的那个。当它们越来越靠近时,雄蜘蛛也开始相互排斥,这种方式更像原子核周围的电子。“这些雄蜘蛛的运动类似于粒子之间的相互作用,根据它们之间的距离相互吸引或排斥,”来自魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的训练物理学家、该研究的主要作者阿米尔·哈勒茨(Amir Haluts)说。同样来自魏茨曼的资深合著者Nir Gov说:“我们使用模型来绘制雄蜘蛛感受到的有效的物理力,使我们能够解释他们在网络上的运动,以及不同体型的雄蜘蛛的动态竞赛。”当雄蜘蛛靠得太近时,最后会冲向对方展开战斗。所有这些都是在蜘蛛网的表面进行的,这是雄蜘蛛用来交流的振动管道,但也可以提醒雌蜘蛛它们的存在,并导致致命的攻击。

该团队的研究表明,雄蜘蛛做出的平衡风险与回报、生死等看似复杂的决定,并不需要高智商,也不需要理解他们所玩的游戏。相反,同样的解决方案可以通过感知网络上的振动,并响应吸引和排斥的物理力量,就像物理粒子可能做的那样。“早期,我对我们的第一个结果感到困惑,这些结果表明,这些雄蜘蛛可以解决这些复杂的任务,显然不需要必要的认知机制,”乔丹说。“我和Nir开玩笑说,这些雄蜘蛛就像是围绕着雌蜘蛛‘核’旋转的电子。这让我们创造了‘原子蜘蛛’这一术语,事实证明这可能与事实相差不远。”

 


杂志

美国国家科学院院刊

DOI

10.1073 / pnas.2106269118


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