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《科学大众》

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开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多...

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合作的进化、大黄蜂的飞行

2009-02-27 21:29:04

  合作的进化(1964年)

  威廉·唐纳德·汉密尔顿(1936~2000年)

  动物间的确存在互帮互助,蚂蚁、蜜蜂和黄蜂就是很好的例子。蜜蜂蜇完以后就会立刻死去,因为蜜蜂的尾部裂开,将毒素注入其受害者体内。死去的蜜蜂的巢友会从其自杀性攻击中获益,这种“利他”行为对于达尔文主义者而言是一个谜团。

  1963年,英国生物学家比尔·汉密尔顿解开了这个谜团,他意识到如果某个体为了母子体关系而自我牺牲,那么为其他个体而自杀可能是一种冒险行为。个体的基因也可能同样存在其兄弟姐妹体内。如果这种“利他”行为为受益者带来的好处足够大,而且与利他者付出的代价成正比,自然选择自然就会青睐这种利他行为。

  汉密尔顿的观点在预测动物何时会采取利他行为方面所取得的成功令人瞩目。他的理论对蚂蚁、蜜蜂和黄蜂的行为做出了合理的解释,这些昆虫具有独特的基因系统。蚂蚁与其姐妹所共有的基因多于与其后代所共有的基因,这也就解释了为什么这些昆虫之间社会行为高度发展。汉密尔顿的理论奠定了现代社会行为研究的基础,至今依然被应用于人类行为研究。

  大黄蜂的飞行(1990年)

  查尔斯·埃林顿(1952~),罗伯特·达德利

  大黄蜂身体笨重,翅膀短小简单,缺乏飞行需要的流线型精致结构,但由于具有综合适应能力,它们的确能够高效率地飞行。1990年,查尔斯·埃林顿和罗伯特·达德利在研究中就揭示了它们的许多适应能力。与鸟的翅膀不同,昆虫的翅膀缺乏产生上升动力的固定不变的弯曲翼面部分,取而代之的是,它们具有临时的翼面,其成分是节肢弹性蛋白。这种富有弹性的蛋白与硬化的翅脉共同合作,使翅膀在做上行运动时部分折叠起来,从而产生上升动力,附属肌肉组织稍微改变翅膀的斜度,使之能够盘旋。

  昆虫飞行需要有比神经冲动更快的刺激物触发驱使翅膀扑打的肌肉收缩。大黄蜂等昆虫通过使用胸腔中的专门肌肉解决这一问题。首先,附属于翅膀并受控于神经冲动的直接飞行肌肉“预热”飞行装置。然后,附属于胸腔壁的一系列间接肌肉开始起作用:一种间接肌肉的收缩会损坏弹性胸腔的外骨骼,在弹回时拉紧并引发第二种间接肌肉的自动收缩。这种肌肉收缩的震动超出了神经控制的限度,创造了笨重昆虫飞行所必需的高频率翅膀扑打系统。

  体温控制是该过程的关键,昆虫颤抖以使肌肉达到起飞的最佳体温。尽管满载蜜和花粉的大黄蜂有时需要落地以避免体温过热,一旦飞行起来,能量产生的热会通过昆虫体表的对流而消耗掉。在风道实验中,埃林顿证明慢跑的人每小时消耗的能量相当于一块巧克力的能量,而一只巧克力大小的大黄蜂大约1分钟就能消耗同样的能量。