本文發表於《大眾科學》之前的部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點
顧名思義,追火甲蟲一生都在試圖尋找森林火災。
為什麼一種生物會選擇進入所有其他森林生物都在積極嘗試逃離的境地,這是一個引人入勝的自然歷史問題。但事實證明,這種甲蟲有一個很好的理由。剛燒焦的樹木是追火甲蟲的幼蟲食物。它們唯一的幼蟲食物。
因此,追火甲蟲如此執著於這個目標,以至於它們甚至會咬消防員,可能把他們誤認為是異常柔軟且氣味難聞的樹木。
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它們至少在加州大學伯克利分校的加州紀念體育場的一場足球比賽中出現過——該體育場不幸地位於最近被燒燬的松樹山中——據估計當時有 20,000 支香菸被點燃。甲蟲在發現“火災”的來源後可能會感到失望,而吸菸者在拍打試圖咬他們脖子和手的困惑甲蟲時可能會感到惱火。
它們出現在木材場和糖廠、焦油廠、水泥窯、冶煉廠的熱管和其他裝置上,並且有一次出現在加利福尼亞州庫林加一場巨大的 1925 年油罐爆炸事件中。在最後一種情況下,火焰高達數百英尺,30 英里外都可以看到……但最近可能存在甲蟲的森林在 80 英里外。
最後一個細節暗示了關於追火甲蟲的驚人之處:它們可以從汽車音響難以接收 FM 收音機的距離感知火災。
事實上,由於已知體積的燃燒油罐(在本例中為 750,000 桶)的紅外輻射可以相當準確地計算出來,研究 庫林加油罐爆炸事件的科學家推斷,甲蟲可以檢測到如此之低的紅外輻射強度,以至於它們被埋沒在周圍的熱噪聲中。但是……如何做到?
紅外輻射是熱量的代表,是關於火災的可靠資訊來源,因為它以清晰的梯度向外傳播,僅受溼度影響。它可以非常準確地指示與來源的距離和方向。一個高度靈敏的紅外感測器可以從太空檢測到地面火災。
一隻飛行的追火甲蟲似乎試圖向當局自首。它的第二組腿以似乎尷尬而不舒服的角度伸向天空。
追火甲蟲飛行姿勢(頂部),熱眼(中間),以及陣列中單個感覺器的橫截面(底部)。圖片來源:施密茨和布萊克曼 1998 年
但甲蟲有充分的理由。它正在讓腿離開它的熱眼,這些熱眼是充滿紅外感測器的凹坑,就藏在它的腿後方。
追火甲蟲側面的熱眼中充滿了大約 70 個紅外感覺器。每個感覺器內部都有一個毛髮狀感測器(在上圖中稱為樹突尖端),當感覺器因熱而膨脹時,該感測器會發生物理變形,從而觸發神經反應。
這種節肢動物毛髮感測器非常靈敏。蜘蛛擁有稱為感覺毛的版本,可以檢測空氣的流動——例如由蛛網或獵物的移動引起的——其靈敏度如此之高,以至於會被遠高於空氣分子隨機運動(布朗運動)的水平所觸發,或者,正如最近一篇關於油罐火災甲蟲敏感性問題的論文的作者所說,“在物理上可能的極限”。
除了包含類似超敏感的機械感受器外,追火甲蟲熱眼中的感覺器還以 70-90 個的陣列形式存在。由多個感覺器拾取的訊號可以被連線該陣列的神經元加總和放大。因此,熱眼可以檢測到比單個感測器更柔和的訊號。
最後,甲蟲也可能由於一種(對我來說)有點詭異的現象“隨機共振”而更好地檢測到埋沒在噪聲中的訊號。在這種情況下,新增的熱噪聲反而有助於感測器拾取訊號。
低於觸發感測器閾值但仍接近該閾值的訊號,將與相同頻率的熱噪聲部分隨機共振。當噪聲更多時,在該共振頻率下會有更多訊號。加在一起,噪聲加訊號的總和足以觸發感測器,而單獨的訊號或噪聲較少的訊號則不會觸發。令人難以置信的是,在存在噪聲的情況下,測量比沒有噪聲時更精確。
儘管非常違反直覺,但隨機共振已經在生物系統中反覆得到證明,包括多次在人類身上得到證明。例如,當人類同時暴露於相同頻率的機械振動時,他們可以檢測到通常無法檢測到的觸覺刺激。與觸控“共振”的那部分振動會加起來觸發皮膚中的機械感受器。瘋狂但真實。
因此,儘管追火甲蟲檢測火災的能力可能看起來是超自然的,但它可能在物理原理上運作,而這些原理也觸手可及。
參考文獻
施密茨,H. 和 H. 布萊克曼。“甲蟲尖頭黑胸吉丁 (Melanophila acuminata) (鞘翅目: 吉丁科) 中用於檢測森林火災的光機械紅外感受器。”比較生理學雜誌 A 182, no. 5 (1998): 647-657。
施密茨,H. 和 H. 布薩克。“對歷史性油罐火災的建模可以估算嗜火性黑胸吉丁甲蟲紅外感受器的靈敏度。”PLoS One 7, no. 5 (2012): e37627。