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印科学家为昆虫打造豪华VR“娱乐”平台
发布时间:2020-06-02     作者:   来源:科普中国   分享到:

苍蝇是怎么找到好吃的?科学家使用VR(虚拟现实)工具模拟自然环境,发现苹果实蝇可以利用视角和运动视差来感知复杂背景下物体的深度,然后向距离更近的目标靠近。同时,它们还会结合气味和风向来定位食物来源。这些研究(昆虫的飞行和导航)将为害虫防治、农作物授粉、虫媒病预防等实际问题提供重要参考。

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作者 | 夏至 日本大阪大学研究员

编辑 | 张昊

昆虫的飞翔能力彻底地征服了全球绝大部分的天空,也让它们进化为物种多样性最为复杂的种群,没有之一。据估计,昆虫构成了全球百分之八十的多细胞生物。一直以来,人类都对昆虫大脑控制它们进行飞行的机制感到好奇。无数的谜团始终没有彻底揭开。例如,昆虫是如何导航的?它们的视觉发达到了怎样的程度?它们仅仅依赖视觉能否分清食物和威胁?气流和气味会不会影响昆虫的运动倾向?

最近,印度科学家在实验室中为昆虫搭建了一套豪华VR“娱乐”系统,它们只要扇动翅膀就能在其中畅游。这个虚拟的世界中,有它们最爱的食物,也有好闻的香味和可以借力的气流,它们可以在显示屏前一刻不停的飞上几个小时。听起来有点玄乎,不过问题来了,大费周章的兴建这么一套昆虫VR系统,到底有没有十足的必要性,我们又能从中获取什么有意义的信息呢。

豪华VR平台和口味特殊的客人

对于普通蝇类而言,想在自然条件下完成对它们导航和觅食行为的研究基本是不可能完成的任务。首先,显而易见的困难在于蝇类的体型实在太小了,现有的追踪技术根本跟不上它们的飞行和转向速度,更不用说监测它们的视野和感官了。

另外,更重要的原因是,它们在食物方面的兴趣爱好实在过于广泛,任何食物都可能成为它们的飞行标的,以至于在实验室中根本无法厘清它们运动的动机和目的到底是什么。以中东地区常见的水果害虫——地中海实蝇为例,从腐烂的水果、蔬菜、面包、猫粮甚至厨余垃圾,它们完全不会挑三捡四。

而苹果实蝇则是一种食谱极为挑剔的物种,它们只对一种食物有兴趣,那就是(苹果树上的)苹果。苹果实蝇的一生都围绕着苹果度过,它们栖息在果园中,在苹果上吃喝拉撒,交配产卵。除了异性,苹果是这个世界上对它们而言唯一有意义的事物。这种从进化角度而言非常不思进取的偏食行为简直能把达尔文气得活过来。不过,对于昆虫行为研究来说,它们却是珍贵的模式动物。

我们常说的没头苍蝇乱撞,讲的就是昆虫飞行路线以及目的的不可预测性。要想对其进行研究,就得有足够简单的模型。VR系统和苹果实蝇提供的正是足够简化的研究平台和研究对象,简直是天作之合。

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苹果实蝇,作者:Joseph Berger, Bugwood.org

"几个小时都停不下来"——昆虫VR系统的用户体验

之前的几十年里,科学家们已经摸清了不少苹果实蝇的进食癖好。例如喜欢什么形状的树?爱吃哪个品种的苹果?什么味道更容易吸引它们?这些看似有些不太着调的研究却为如今的苹果实蝇VR系统提供了绝佳的创作依据。

这项研究的负责人说:“我们出于对昆虫这个种群的兴趣和热爱以及它们对于地球生态系统的重要性而开展这项研究,因此我们一直在小心地对待它们,并且我们希望这份虔诚能够帮助人类了解它们那小而神秘的大脑。”

实验过程中,苹果实蝇被固定在仪器正中的位置,它们的行动虽然会受到一定程度的约束,但是绝非被细针刺穿这么残忍,而是通过胶水将一根很长的细针固定在它们的胸部外骨骼上,位置类似于人体的两块肩胛骨中间。

这么做的道理非常简单,首先,即便研究对象是昆虫也很可能招来虐待动物的非议,因此研究人员尽量采用不伤害苹果实蝇的方式来实施研究。其次,对研究对象的身体施加的约束越大,就越容易引发它们的不适,也会让研究条件更加偏离理想情况。

“我们不清楚这样的固定会让它们产生多少不适的感觉,不过看起来它们好像不是特别介意。在我们设置的VR世界中,它们可以不间断地飞上几个小时,当它们停止振翅,我们就会停止实验并释放它们。每隔一段时间我们就会用糖浆给它们喂食。另外,我们可绝对没有刺穿它们。”

五年磨一剑,这套VR系统特殊在哪里?

这套系统花了5年时间才搭建完成,如果是以人类开发VR游戏作为参照,这家游戏公司恐怕早就破产了。之所以下了这么大功夫,主要是由于昆虫VR有别于人类VR的诸多特点,让研究人员不得不进行充分的调研和改进。

首先,很多昆虫拥有的复眼让它们对于运动物体异常敏感,同时它们视觉的刷新率大概是人类的10倍。例如人眼对于每秒24帧的视频已经无法分离出单帧的画面,这也是电影基于的主要原理。然而,苹果实蝇复眼的帧率可以达到每秒200到300帧,这也说明了为什么打苍蝇是一件极为困难的挑战——在蝇类看来,人类的动作太慢了,慢的好像是独立的单帧画面一样。

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昆虫的复眼,来源:creativecommons.org

其次,这套系统中视觉刺激之外的气流和气味刺激着实让研究人员花了不少功夫。对于视觉刺激而言,可以通过人眼的判断来直接进行修正与完善。但气流和气味却只能通过实验对象,也就是昆虫在其中的反应来判断有效性和正确性。

最终,在人类和昆虫的共同努力下,这套昆虫VR实验系统终于正式上线了。在它的显示屏中有自然界果园中拥有的一切要素,蓝天白云绿草果树,苹果实蝇看到它就按捺不住飞翔的欲望。一旦它们开始振翅,画面也会进行相应的更新,甚至还能在一定角度内对应苹果实蝇的转向。此外,除了显示模块,这一系统还配备了施加气流和气味的多向导管。

昆虫VR系统给我们带来了哪些成果

研究人员发现,如果屏幕上压根儿没有果树,苹果实蝇也就没有什么特别的飞行倾向。不过一旦出现果树,它们马上就会向其进发并试图在树上着陆。这说明苹果实蝇能够辨认VR系统中出现的三维实体。值得一提的是,埃及伊蚊、大蚊以及尾蛆蝇都能从这套VR系统中把特定的实体从背景中分辨出来。

当屏幕上出现了两株果树时,苹果实蝇会倾向于先飞向更近的一株,即便更远的一株看起来会更大一些。那么,苹果实蝇如何判断不同的果树与自己的距离?研究人员认为,它们通过一种叫做“运动透视”的现象来完成这类距离判断。比如说有两株位于远处的果树看起来大小相同,但当苹果实蝇飞向它们时,更近的一株在屏幕上变大的速率会超过较远的一株。通过这种现象,苹果实蝇很快就能意识到两株果树的远近关系,并调整航向前往更近的一株。

如果压根没有视觉信号,比如保持背景图像不变,苹果实蝇又会根据什么信号来实现导航呢?答案是气流和气味。在没有有效的视觉和气味信息时,苹果实蝇会通过触角和分布在全身的绒毛来感受气流流向,从而选择合理的飞行路线,顺势而为,减少能量损失。一旦有气味信号的介入,苹果实蝇则会立即向气味传来的方向移动。这一实验首次证实了昆虫在失去视觉的情况下仍然能通过其它途径进行导航。

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昆虫VR实验平台,来源:参考文献1

研究昆虫的飞行和导航行为在现实生活中有着相当大的实践意义,相关成果在害虫防治、农作物授粉以及虫媒病预防等方面都能够发挥作用。也许在未来,我们能够发明让苍蝇主动舍生赴死的苍蝇拍,打苍蝇也不再是需要屏气凝神的高难度作业了。


参考文献:

1. Characterizing long-range search behavior in Diptera using complex 3D virtual environments

https://www.pnas.org/content/early/2020/05/12/1912124117

2. Scientists just figured out why it’s so hard to swat a fruit fly

https://www.haaretz.com/world-news/.premium-scientists-just-figured-out-why-it-s-so-hard-to-swat-a-fruit-fly-1.8852437

3. Insect virtual reality gives us a fly's perspective of the world

https://allyourfeeds.com/xr/news/insect-virtual-reality-gives-us-a-flys-perspective-of-the-world

4. Using virtual reality to understand how insects fly

https://researchmatters.in/news/using-virtual-reality-understand-how-insects-fly

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