為尋找食物,果蠅可以飛行600萬倍於它身體的長度
2005 年,一位資深馬拉松運動員在80 個小時內持續跑了560 公里(350 英里),中途沒有睡覺或者停下來。這一距離大約是該跑步者身體長度的324000 倍。不過根據加州理工學院的最新研究,這一壯舉在果蠅面前就顯得有點微不足道了。為了尋找食物,一隻果蠅可以飛行600 萬倍於它身體的長度。
加州理工學院的科學家們現在發現,果蠅在一次旅行中可以飛行15 公里(約9 英里),是它們身體長度的600 萬倍,或者相當於普通人的10000 多公里。如果按照身體長度做對比,這比許多候鳥物種在一天內能飛得更遠。
為了發現這一點,該團隊在加州莫哈韋沙漠的一個乾燥湖床進行了實驗,釋放果蠅並將它們引誘到含有發酵汁液的陷阱中,以確定它們的最高速度。相關論文於4 月20 日發表在《美國國家科學院院刊》上。
這項工作的動機是一個長期存在的悖論,該悖論在20世紀40年代由西奧多西·多布贊斯基(Theodosius Dobzhansky)和其他研究美國西南部果蠅物種的群體遺傳學先驅發現。Dobzhansky和其他人發現,相隔數千公里的果蠅種群在遺傳上的相似性比他們對這些小果蠅實際能走多遠的估計所能輕易解釋的要多得多。事實上,當生物學家在戶外釋放果蠅時,這些昆蟲往往只是在短距離內繞圈嗡嗡作響,就像它們在我們的廚房裡一樣。
果蠅在野外尋找食物時的行為是否有所不同?在20世紀70年代和80年代,一群人口遺傳學家試圖解決這一矛盾,他們將數十萬隻果蠅塗上熒光粉,並在一個晚上將它們釋放到死亡谷。值得注意的是,該小組第二天在15公里外的腐爛香蕉桶中發現了一些熒光果蠅。
為了測量果蠅如何分散並與風互動,該團隊設計了”釋放和重新捕獲”實驗。在前博士後學者凱特·萊奇(Kate Leitch)的帶領下,該團隊多次前往距離加州理工學院140 英里的莫哈韋沙漠中的干涸湖床–Coyote 湖,並拖著數十萬隻常見的實驗室果蠅–黑腹果蠅。
其目的是釋放這些果蠅,將它們引誘到設定地點的陷阱中,並測量昆蟲飛到那裡所需的時間。為了做到這一點,研究小組在一個圓環中設置了10個”氣味陷阱”,每個陷阱都位於釋放地點周圍一公里的範圍內。每個陷阱裡都有誘人的發酵蘋果汁和香檳酵母的雞尾酒,這種組合會產生二氧化碳和乙醇,這對果蠅來說是無法抗拒的。每個陷阱都有一個攝像頭,並配有單向閥,這樣果蠅就可以爬進陷阱,走向雞尾酒,但不會再出來。此外,研究人員設立了一個氣象站,在整個實驗過程中測量釋放地點的風速和風向;這將表明果蠅的飛行是如何受到風的影響。
為了不干擾它們的飛行性能,研究小組沒有給果蠅塗上熒光粉等識別物。那麼,他們是如何知道自己捕捉到的是自己的果蠅呢?在釋放之前,研究小組首先放置了誘捕器,並隨著時間的推移對其進行了檢查,發現雖然在莫哈韋地區的棗園中發現了野生的黑腹果蠅,但它們在Coyote 湖卻極為罕見。
該小組釋放的果蠅最初是在一個水果攤上收集的,然後在實驗室裡飼養,但它們沒有以任何方式進行基因改造。該小組在獲得土地管理局的許可後進行了實驗。
實驗時,研究小組把裝果蠅的桶開到陷阱圈的中心。桶裡有大量的糖,這樣昆蟲就會為它們的飛行提供充分的能量;然而,它們不含蛋白質,使果蠅有強烈的動力去尋找蛋白質豐富的食物。研究小組估計,果蠅將無法從環的中心聞到陷阱的氣味,迫使它們分散開來搜索。
該團隊在不同的風力條件下重複這些實驗。第一批果蠅花了大約16分鐘的時間走了一公里才到達陷阱,對應的速度大約是每秒1米。該小組將這一速度解釋為下限(也許這些第一批果蠅在釋放後繞了點圈子,或者沒有以完全的直線飛行)。該實驗室以前的研究表明,一隻吃飽的果蠅有能量連續飛行三小時;推斷一下,研究小組得出結論,黑蠅在一次飛行中大約可以飛行12至15公里,即使是在輕柔的微風中,如果有尾風的幫助,還會飛得更遠。這個距離大約是果蠅平均體長(2.5毫米,或十分之一英寸)的600萬倍。作為一個類比,這就像普通人在一次旅行中只走了1萬多公里–大約是北極到赤道的距離。