我們人類對我們的大腦和複雜的方式感到非常自鳴得意。但如果說作為一名生物學家我學到了一件事，那就是永遠不要低估那些大多數人認為原始和頭腦簡單的動物的能力。通常哺乳動物會給我上這一課。但最近，我在一種被稱為觸手蛇的奇特爬行動物身上觀察到的行為的複雜性，讓我驚訝得合不攏嘴。
觸手蛇，Erpeton tentaculatus，是一種完全水生的蛇，原產於泰國、柬埔寨和越南南部。它是一種相對較小的蛇（成年蛇大約兩英尺長），會產下幼蛇，並且只以魚為食。這種動物的名字指的是它最顯著的特徵：從鼻子兩側伸出的一對觸鬚。大約十年前，我在懷舊地參觀華盛頓特區的國家動物園時，第一次對這些生物產生了興趣，那時我還是一個本科生，在那裡度過了夏天。走過爬行動物館，我偶然發現一個植被茂密的水族箱，裡面有一條觸手蛇在等待。它靜止不動地懸掛在水中，努力看起來像一根樹枝，它的身體彎曲成 характерная J 形，那是蛇在捕獵時採取的姿勢。
當我觀察這條蛇時，我想知道這些觸鬚是做什麼用的。沒有其他蛇有類似的東西。由於這些動物以魚為食，因此有理由認為觸鬚可能是某種魚類探測器。但是，當我回到範德比爾特大學的實驗室並查閱科學文獻時，我發現雖然已經提出了包括這種理論在內的觸鬚理論，但沒有人透過實驗對其進行過檢驗。因此，我著手一勞永逸地解開蛇的奇怪附肢之謎。
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在我探索觸鬚真正用途的過程中，我發現這種動物比我意識到的更有趣。事實證明，觸手蛇使用一系列非常先進的攻擊策略來捕獲獵物。此外，即使是這個物種的新生兒也擁有這些技能，這揭示了一個引人注目的例子，說明了自然而非後天教養塑造了行為。
眨眼之間
在我能夠檢驗觸鬚作為魚類探測器發揮作用的理論之前，我首先必須仔細觀察蛇的捕獵行為。但是觀察蛇捕獵並不像聽起來那麼簡單。觸手蛇的攻擊速度非常快，魚也同樣快。蛇和魚之間的整個較量大約在 40 毫秒或 1/25 秒內完成。為了看到這些事件，我使用高速攝像機以每秒 500 到 2,000 幀的速度記錄了多條蛇的多次攻擊，然後以慢動作回放影片。當我觀看攻擊時，我注意到一些非常奇怪的事情：看似自殺的魚。
在許多情況下，魚會轉向正在逼近的蛇口，有時甚至直接遊進蛇口。這毫無道理。魚是許多捕食者的首選選單，因此，它們是逃生專家，進化出了快速的神經迴路和相應的快速行為來感知和躲避敵人。當它們檢測到捕食者產生的聲音和水流運動時，它們可以在短短六到七毫秒內開始逃生——不到 1/150 秒。這種逃生反應被稱為 C 形啟動，因為它以魚身體的 C 形彎曲開始，目的是將魚推進遠離捕獵者的方向。那麼，為什麼魚會朝著觸手蛇的嘴游去呢？
我發現，答案與蛇不尋常的 J 形捕獵姿勢有關，這種姿勢形成了一種陷阱。這些爬行動物更喜歡追捕那些進入其頭部和上半身形成的 J 形區域的凹面區域的魚。仔細檢查慢動作影片顯示，就在攻擊之前，蛇移動了身體的一部分，這一部分位於魚的側面，距離蛇頭最遠，從而驚嚇魚朝捕食者張開的嘴游去。當我以每秒 2,000 幀的速度拍攝攻擊，並同時用水下麥克風記錄水族箱中的聲音時，我確定蛇在攻擊前移動身體會產生傳播壓力波，這種壓力波足以驚嚇魚。
蛇的佯攻策略尤其陰險，因為它利用了通常對魚類有利的神經迴路。魚類的大腦中有一對巨大的細胞，每側一個，稱為毛特納神經元。神經元的訊號傳導延伸，稱為軸突，交叉到身體的另一側。這兩個快速傳導神經元之間的競爭決定了逃生反應的方向。例如，當聲音起源於左側時，耳朵首先激發左側的毛特納神經元，然後毛特納神經元將其訊號向下傳遞到軸突，並刺激身體右側的運動神經元，導致肌肉發生大規模收縮，從而使魚向右轉。與此同時，交叉返回左側的抑制性神經元會阻止左側的肌肉收縮，從而確保沒有任何東西干擾至關重要的右轉。結果是速度驚人的逃生——除非魚遊得離觸手蛇太近。在這種情況下，蛇的身體佯攻通常會啟動一連串神經事件，導致魚向錯誤的方向轉彎。對於魚來說不幸的是，通常作為安全措施的抑制性迴路的同步啟用意味著沒有回頭路了。
蛇的驚人技巧解釋了之前一些令人困惑的觀察結果。1999 年，芝加哥菲爾德自然歷史博物館的約翰·C·墨菲報告說，魚被吃得非常快，有時會在蛇的攻擊過程中完全消失，在他的每秒 30 幀的影片中，只需一幀——比預期的快得多。我的高速影片顯示，即使魚不配合蛇，沒有直接遊進蛇口，但它們朝蛇轉彎通常也使蛇能夠頭朝前地抓住它們，這對蛇來說是吞嚥魚的最快方式。這種快速進食不僅使蛇能夠更頻繁地進食，而且還有助於掩蓋捕食者的身份（如果其他魚看到你吞噬了它們的同伴，就很難看起來像一根無害的樹枝）。此外，蛇也有自己的捕食者，最有可能在吞嚥魚時被看到，因此快速進食可能會降低獵人成為被獵者的機會。
做出預測
心理學家 B·F·斯金納曾經說過：“當你遇到有趣的事情時，放下其他一切，研究它。”本著這種精神，我決定暫時把對觸鬚的興趣放在一邊，專注於蛇的捕食行為——這一轉變揭示了這種生物的更多技巧。
雖然驚嚇魚以進行攻擊令人印象深刻，但它僅在魚位於蛇頭和頸部之間的“最佳位置”並且平行於蛇的下頜時才有效。那麼其他方向的魚呢？由於魚的逃生反應會將其推進到左側或右側，因此如果魚已經面向蛇的下頜，則蛇無法驚嚇魚朝其嘴游去。在這種情況下，觸手蛇採用了另一種，甚至更令人印象深刻的策略：它預測魚的行為。首先，它使用身體佯攻來驚嚇魚使其遠離身體，使魚沿著平行於蛇下頜的路徑遊動。然後，在魚甚至沒有移動之前，蛇就朝著魚頭未來的位置發起攻擊，使其下頜在倒黴的魚到達該位置時正好到達。這些事件發生得太快，蛇無法使用視覺反饋來跟蹤攻擊過程中移動的魚——它必須提前計劃。在一些實驗試驗中，魚沒有避開身體佯攻（這種策略並非萬無一失），但蛇仍然朝著魚本應移動的方向發起攻擊（如果魚以通常的方式做出反應）。這種行為證實，蛇是基於預測而不是跟蹤移動的魚來發起攻擊的。
有時，即使蛇無法在特定方向驚嚇魚，它們也會直接攻擊魚。但在大多數情況下，蛇會耐心地等待魚進入其 J 形捕獵姿勢形成的陷阱。令我驚訝的是，我觀察到在這種區域內，針對不同位置的魚，還存在更多種類的預測性攻擊。在一種扭曲的變體中，蛇會將頭部捲曲到自身身體下方，以正面迎接逃跑的魚。似乎觸手蛇可以根據手頭的情況，從其武器庫中的一系列攻擊策略中進行選擇。這些預測性攻擊提出了一個有趣的問題：觸手蛇是透過一生的攻擊來學習預測 C 形啟動魚的運動，還是它們天生就具有這種能力？幸運的是，我們的幾條蛇產下了幼蛇。當我們用活魚測試新生兒時，它們顯然會攻擊逃跑的魚的未來位置（當魚處於適當位置時），這表明它們天生就知道魚是如何移動的，以及如何最好地智勝魚。
我們在去年發表於PLoS ONE上的研究結果中觀察到，這種先天能力證明了觸手蛇捕食魚類的悠久進化史，並且關係到生物學中最基本的問題之一——即，自然和後天教養在行為發展中的相對作用。至少在新生兒的攻擊方面，觸手蛇位於這種連續體的極端自然端。魚對突然的水擾動的非常可靠的反應為一種先天行為（預測性攻擊）的進化提供了一個框架，這種先天行為利用了另一種先天行為（魚類逃生反應）。
魚類尚未進化出反制策略，這表明觸手蛇充當了斯蒂芬·傑·古爾德所說的“罕見的敵人”，利用了一種通常具有適應性的行為。魚類有很多捕食者，在大多數情況下，它們檢測到突然的水擾動的最佳選擇是向相反的方向逃跑。不幸的是，魚遇到了這種蛇，並且被欺騙而轉向了它的敵人而不是遠離它。
在黑暗中觀察
至於觸鬚，我的研究生鄧肯·B·萊奇和我的研究助理丹妮爾·戈捷和我進行了一系列調查，以確定它們的功能。我們在 2010 年的實驗生物學雜誌上發表了我們的研究結果。透過檢查這些附肢中神經末梢的解剖結構、它們對各種刺激的反應以及它們如何對映到大腦中，我們能夠證明觸鬚是非常敏感的觸覺器官，可以檢測到附近移動物體產生的水流運動。也就是說，觸鬚的功能與伏擊捕食者中的魚類探測器官的預期功能完全一致。我們還在紅外照明下拍攝了蛇的影片，它們看不到紅外線，並證明了它們在不使用視力的情況下捕捉魚的能力。顯然，觸鬚使蛇能夠在夜間或渾濁的水中探測和捕捉魚類。憑藉世界一流的運動探測器和驚嚇目標緻死的能力，觸手蛇是魚類最可怕的噩夢。