临溪笔记

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[蜘蛛篇]蜘蛛为什么有八条腿?

在自然界中,我们能观察到的大部分“虫子”,无论是天上飘的、地上蹦的还是水里窜的,都是六条腿,它们基本上都能归属于六足亚门。从机械结构稳定性,或者说一个机器人专家的角度来看,六条腿也确实是完美之选(比如不久前刚刚开始火星探索之旅的“好奇号”)。但是不属于昆虫纲也不属于六足亚门的蜘蛛为什么是八条腿呢? 虚拟模型:好奇号(curiosity)火星探测器登陆(图像来源:space.com) 这个问题看起来似乎有些蛋疼,但还是有科学家对它进行了认真的研究。2011年6月2号,美国国家地理网站发表了一篇名为《蜘蛛演化出了多余的腿》(Spiders Evolved Spare Legs) 的文章(在我的iFrei.cn这个域名还在使用的时候,曾经对这篇文章进行过全文翻译)。我并不喜欢这篇文章的标题,因为它暗示了早已被摒弃的拉马克学说的正确性。事实上,生物不可能自主选择自己的演化方向,换句话说,生物不可能为了某种“多余性”而演化。也许我们确实能看到某些生物身上存在一些多余的器官,比如我们人类的智齿、阑尾等,但它们都是自然选择的结果,并非我们人类自身愿望的结果。从逻辑上来说,这种多余性体现的是一种从有到无的演化过程,而并非从无到有。或者可以这样定义生物学意义上的“多余性”:如果一种组织或器官出现在生物个体上,并使该个体的适应度降低,那么就可以说这个组织或器官相对于该种生物是多余的。蜘蛛的演化史约为4亿年,目前已知的最古老的蜘蛛化石被保存在一块距今已有1.4亿年的琥珀之中。与现存的蜘蛛一样,它也有八条腿。如此看来,“蜘蛛演化出了多余的腿”这个结论是不成立的。 需要注意的是,这个结论是这篇文章给出的,并非由原论文作者给出。另外这篇文章中除了标题,其实并没有谈到任何关于演化论的观点。前一阵我又想到这个问题,特意又去查了原论文。原论文标题为《腿的丧失:这对于圆蛛而言是否是一种障碍?》(Loss of legs: is it or not a handicap for an orb-weaving spider?),发表在2011年11月7日的《自然科学》(Naturwissenschaften)杂志上,作者为斯特拉斯堡大学的Alain Pasquet, Mylène Anotaux和南锡大学的Raymond Leborgne.因为下载不到这篇论文,我只能从摘要中对这篇论文有个大概的了解。研究者的研究对象是一种叫做丽楚蛛(Zygiella x-notata)的圆蛛。在野生环境下,根据种类的不同,成年蜘蛛的失腿率大致在5%到40%之间,而成年雌性丽楚蛛的失腿率在9.5%到13%之间,其中48%都是只缺失一条腿。在实验室条件下,研究者对比了缺腿蜘蛛和完整蜘蛛的捕食效率、产卵量和寿命,结果显示无任何差别。 雌性丽楚蛛(Zygiella x-notata)(图像来源:eurospiders.com)

[蜘蛛篇]捕风者

这是一个很老的冷笑话了:说有个科学家逮了几只蜘蛛,把它们都放到桌子上,然后冲它们大吼,结果蜘蛛……当然都跑了。还没完,这个科学家随后又把这些蜘蛛都逮回来,把它们的腿都切掉,再冲它们大吼,这次没有一只蜘蛛逃跑了……于是科学家得出这样的结论:蜘蛛的耳朵是长在腿上的!这个笑话的笑点当然是在“科学家”的这个荒谬的研究方法上,但如果究其结论——“蜘蛛的耳朵长在腿上”,倒也不能算全错。虽然没有我们生物学定义上的耳朵,但蜘蛛确实是是靠腿来“听”的。 靠腿怎么听?先别急,在回答这个问题之前让我们先来考虑一下哺乳动物——比如我们人类,是如何听到声音的吧。在我们人类的耳朵中,有一组重要的小零件,它们被统称为“毛细胞”(Hair cell).这些毛细胞位于内耳耳蜗的薄基膜上,在柯蒂氏器(Organ of Corti)的内部。根据解剖学和功能上的分类,这些毛细胞又可细分为“外毛细胞”和“内毛细胞”,而每个毛细胞上都生长出很多硬纤毛(Stereocilia)。 柯蒂氏器的解剖结构(图像来源:wikipedia) 因为在实验上存在困难,科学家们对毛细胞的具体功能机制还不甚明晰。根据以往的研究,简单来说,外毛细胞起到放大声音信号的作用,而内毛细胞起到将声音震动转成电信号并通过听觉神经传递到脑干和听觉皮层的作用。单侧内毛细胞总数约3500个,外毛细胞约9000到12000个。毛细胞凋亡后不能再生,如果毛细胞损伤过于严重,将降低听觉敏感度,比如引发感觉神经性耳聋。不过根据近09年的一篇报道,英国科学家已成功在实验室内用干细胞培育出了内毛细胞,为耳聋患者恢复听力带来了希望。 说了这么多,看起来好像和蜘蛛没啥关系,但事实上——解决蜘蛛听觉之谜的钥匙也就在这些“毛细胞”上,只不过蜘蛛的“毛细胞”都长在了腿上而已,使得蜘蛛本身好像变成一个“耳朵”。这些毛又被形象地称为“听毛”(Trichobothria).利用听毛,蜘蛛通过解析声音引起的空气流动,来判断声音的来源。 蜘蛛的听毛(图像来源:http://ednieuw.home.xs4all.nl) 2011年年底,几位物理学家对蜘蛛的听毛做了进一步的研究。他们发现如果外界的声频发生改变,蜘蛛听毛的摆动速率也会随之改变,进而发现蜘蛛的听力范围为40Hz到600Hz(人类的听力范围为20Hz到2000Hz).相关实验的视频请点击这里(Youtube). 谈到了蜘蛛的“捕风技”,最后稍微谈谈蜘蛛的“捉影技”——视觉。也许蜘蛛能算得上个“捕风”的高手,但至于“捉影技”——根据蜘蛛具体分类的不同,也是千差万别。蜘蛛家族里视力最好的当属跳蛛(蝇虎科),它们的视力近乎于人类,且有研究表明它们有分辨颜色的能力。再其次是狼蛛和猞猁蛛(lynx spiders).视力最不好的是洞穴蜘蛛,它们几乎没有视觉,捕食只能依靠听觉和触觉。