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蒋世禄的生物课堂内外

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日志

 
 

视频: 蜜蜂8字舞  

2012-04-09 13:16:02|  分类: 生物必修3稳态与 |  标签: |举报 |字号 订阅

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破解蜜蜂的舞蹈

视频: 蜜蜂8字舞 - 蒋迎仙 - 蒋迎仙的生物课堂内外
在上个世纪一、二十年代,许多生物学家认为蜜蜂和其他昆虫都没有色觉。 难道花朵鲜艳的色彩竟会不是在吸引蜜蜂的来访?德国生物学家卡尔·冯·弗里 希(Karl von Frisch)对此不以为然。他开始做实验测试蜜蜂的色觉能力。在 一些有不同的灰色程度的纸张中放一张有色的纸,然后在色纸上放上一个小玻璃 盘,里面装糖浆。弗里希发现,附近蜂巢中的蜜蜂能够识别出这个颜色。 而且弗里希还注意到,在两次试验的间隙,会有零星的蜜蜂飞过来侦察,如 果它们发现又有了糖浆,会返回蜂巢,几分钟后,一大群蜜蜂就会蜂拥而至。 这只侦察蜜蜂是不是跑回去报信呢,又是如何报信的呢?科学史上一个最迷 人的发现之一至此意外地开始。弗里希观察到,侦察蜜蜂回巢后,会在蜂巢上右 一圈、左一圈地跳起“8”字形的圆舞,吸引许多其他蜜蜂跟在它后面,循着气 味飞往喂食地点。糖浆越甜,舞蹈越激烈、持续的时间越长。弗里希认为他已经 破解了蜜蜂的语言。 但是到了40年代,在20年后弗里希重做这个实验时,才发现事情要比他当初 设想的要复杂得多。蜜蜂的舞蹈不是一种,而是有两种。如果喂食地点与蜂巢的 距离在50米之内,侦察蜜蜂跳的是圆舞,但是一旦喂食地点的距离超过了50米, 它就会跳起一种摇摆舞,在跳到“8”字交界处时,会以每秒13次的频率快速地 抖动身体,发出嗡嗡声,同时左右摆动,摆动的次数与采集地点的距离有关,每 摆动一次表示大约50米的距离。而且,摇摆的方向能表示采集地点的方位,它的 平均角度表示采集地点与太阳位置的角度,即使是阴天,蜜蜂也能通过感觉紫外 线和偏振光而知道太阳的位置。 这种语言并不太精确,只能把采集蜂群带到喂食地点附近,到那里后它们就 要根据从舞蹈者的身上获得的食物味道去寻找食物。但是这仍然是一种非常抽象、 复杂的语言,能够传达的信息数量据估算可达到大约10亿条,在所有动物信息 传播系统中,仅次于人类语言。 弗里希在1946年公布了这个重大发现,1973年获得诺贝尔生理学奖。但是在 他获奖时,仍然有不少生物学家对其结果表示怀疑。在60年代末和70年代初,美 国生物学家亚德里安·温纳(Adrian Wenner)等人在做了一系列实验后,认为 蜜蜂完全是根据气味而不是舞蹈语言来确认食物地点的。他们认为,蜜蜂的舞蹈 就像其他采集性昆虫的“舞蹈”一样,只是用来吸引其他蜜蜂的注意并传递气味, 并无任何抽象的含义。其他蜜蜂飞出蜂巢后,是根据它们从舞蹈者身上获得的食 物味道和舞蹈者留在食物地点的体味去寻找的。在弗里希的实验中,采集蜂群能 够直接飞往舞蹈者去过的食物地点,而忽视周围的其他食物地点,温纳等人认为 正是被舞蹈者留下的体味吸引过去的。 为了反驳这些反对意见,弗里希曾经补做过一系列实验,例如把蜂巢侧立, 并遮挡住阳光,这样舞蹈者搞不清方向,采集蜂群就没能定向飞往舞蹈者发现的 食物地点。但是最有说服力的实验是其他生物学家在后来做的。其中一个实验非 常简单,在侦察蜜蜂发现食物飞回蜂巢报信之后,研究者把食物移走,但是采集 蜂群仍然根据侦察蜜蜂传递的“假情报”,飞到原有食物的地点寻觅食物,尽管 那里既无食物的味道也无侦察蜜蜂的体味。 另一个更有说服力的实验则要复杂得多。研究者制造出了一只能使用蜜蜂语 言的“机器蜂”。它的外观一点也不像蜜蜂,只是用木头、钢管和刀片拼凑而成 的,中间一根钢管带动木头跳摇摆舞,后头有刀片模仿蜜蜂的翅膀发出舞蹈声, 前头还有一个钢管给蜜蜂提供食物“样品”(糖水)。就是这么简陋的“机器蜂”, 只因为它能够“讲”蜜蜂语言,就能够把蜜蜂成功地引导到选定的地点。 对一项匪夷所思的重大科学发现,有质疑、反对的声音和证据,那是再正常 不过的了,关键在于如何寻找新的证据、设计新的实验去证明它。蜜蜂有语言在 今天已经成为共识,而且我们知道它们是天生就会,而不是后天学来的。我们还 知道不同亚种的蜜蜂使用不同的方言。例如,德国亚种摇摆一次表示50米,意大 利亚种则表示20米。这种方言也是天生的。让德国蜜蜂幼虫在意大利蜜蜂的蜂巢 中出生、长大,它仍然讲“德语”,由此会导致蜂巢中的语言混乱。

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带微型雷达的蜜蜂

科学家利用雷达跟踪系统揭开蜜蜂舞蹈语言之谜

   英国科学家赖利等人研发了一种能粘在蜜蜂背上的微型雷达跟踪系统,并用它追踪了蜜蜂的整个采蜜过程。他们发现蜜蜂确实能够读懂舞蹈中所包含的编码信息,而且在飞向目标的过程中也不会受风向变化的影响。该发现刊登在最新一期的《自然》杂志上,打消了科学界长久以来关于蜜蜂舞蹈语言的争议。 
  蜜蜂是人类最喜爱的昆虫之一,人们常常为它的勤劳感叹不已。奥地利生物学家弗里施自1915年开始与其学生和同事对蜜蜂进行了50多年的试验研究,认为蜜蜂之所以能够有条不紊、迅速而敏捷地采到花蜜是因为它可通过舞蹈语言相互交流。蜜蜂可以用舞蹈方式指示它的同伴食源的质量、距离和方位。这个研究还让弗里施在1973年获得了诺贝尔奖。 
    蜜蜂真的用圆圈舞蹈或“8字舞”来指示蜜源?
  弗里施的研究指出,大批工蜂出巢采蜜前先派出“侦察蜂”去寻找蜜源。这些“侦察员”一旦发现了有利的采蜜地点或新的优质蜜源植物,它们就会变成采集蜂,并飞回蜂巢跳上一支圆圈舞蹈或“8”字形舞蹈来指出食物的所在地,并以舞蹈的速度表示蜂巢到蜜源之间的距离,还以附在身上的花粉的味道告知食物的种类,通知大家一块儿去采蜜。侦察蜂找到距蜂箱100米以内的蜜源时,即回巢报信,除留有追踪信息外,还在蜂巢上交替性地向左或向右转着小圆圈,以“圆舞”的方式爬行。 
  如果蜜源在距蜂箱百米以外,侦察蜂便改变舞姿,呈“∞”字,所以也叫“8字舞”或“摆尾舞”。如果将全部爬行路线相连,直线爬行的时间越长,表示距离蜜源越远。直线爬行持续1秒钟,表示距离蜜源约500米;持续2秒,则约l000米。 
  蜜源与蜂巢的距离和舞蹈动作的快慢有直接关系。距离越近,舞蹈过程中转弯越急、爬行越快;距离越远,转弯越缓,动作也慢。蜜蜂的舞蹈动作,不仅能报告花蜜距巢远近,还能指示花蜜所在的方向。如果跳摇摆舞时,蜜蜂头朝上,则是说:“朝太阳的方向飞去,能找到花粉。”反之,则是报告:“在背向太阳的地方可以找到食物。” 
蜜蜂只是凭借跳舞蜜蜂身上的气味慢慢搜寻食物来源?
  尽管大多数生物学家倾向于弗里施关于舞蹈是真正信息来源的观点,但关于这种“编码”是怎样被翻译成一种“飞行计划”的却一直没有定量描述。对这种假设持怀疑态度者提出,旁观的蜜蜂只是从跳舞的蜜蜂身上获得食物气味,然后凭借气味搜寻食物来源。生物学家艾德里安·文纳认为,蜜蜂跳舞只是在进化过程中产生的一种习惯,其实并没有传递任何信息。从蜜蜂表演舞蹈到旁观的蜜蜂抵达食物源有一个很明显的时间差,这说明其它蜜蜂只是从跳舞的蜜蜂身上获得食物气味,然后凭借气味慢慢搜寻食物来源。 
微型雷达收发器被粘在蜜蜂背上来追踪其飞行路径。</STRONG> 
  为了探究蜜蜂舞蹈语言的奥秘,英国罗特哈默·斯特德农业研究中心的一个研究小组,利用雷达来追寻蜜蜂搜寻蜜源的飞行路径。他们设计了一种只有16毫米大小的微型异频雷达收发器,并把这些收发器安装在了作为研究对象的蜜蜂身上。研究小组负责人乔·赖利表示,他们耗费了将近两年时间来研制出这个微型雷达收发机。它必须足够小、足够轻,以至于一个蜜蜂能够载着它轻松飞行而不影响正常的采集工作。与此同时,雷达收发机还要得到足够的能量以进行全方位的信号收发。 
  据介绍,最终版本的微型雷达收发机仅有10至12毫克,比蜜蜂所要采集的花粉还轻得多,携带它的蜜蜂在采蜜时能够灵活自如地飞行。这个雷达由一根特殊钢丝制成的非线性天线和一个微小芯片组成,看起来像一根长胡须。研究者用特制的胶水将微型异频雷达收发机粘在600多只蜜蜂背上,然后将它们放入1万多只蜜蜂的蜂群中,跟踪它们的活动情况。每个收发机传回的信号都是独特的,可以与其他收发机的信号进行区别。一旦蜜蜂背上了雷达,它们被追踪的过程就如老式电影里所描绘的那样:某个闪光点在荧屏上不停地闪烁,然后信号被记录下来,并转换成图表。因为微型雷达收发机太小,缺乏足够的电池来供电,所以设计者们让雷达发射20千瓦的电讯号给收发机提供能量。 
     研究发现蜜蜂能够依据舞蹈找到蜜源,但是有一定误差。
  赖利的团队自1996年起就开始用微型雷达来追踪蜜蜂的踪迹,大量的实验数据证明蜜蜂能够读懂舞蹈编码中所包含的信息。小组负责人乔·赖利指出,研究人员用科学的方法证明了弗里施关于蜜蜂舞蹈语言的假设,以定量的方法一劳永逸地解决了这个问题。蜜蜂可以用特定的运动方式将有关食物源的位置、距离及丰富程度通知蜂房里的同伴。侦察蜂出去寻找蜜源,然后回来报告给蜂群,其它的蜜蜂就跟着过去,如果蜂群比较大了,要分群的时候,也派工蜂出去寻找新的巢穴,新的巢穴的距离、方位,新的巢穴的质量,也是通过工蜂形体的动作(方向、次数、力度)来传递的。 
<P>  对于蜜蜂在觅食过程中存在的时间差问题,赖利解释道,这个矛盾是弗里施造成的。弗里施认为蜜蜂读取了侦察蜂的舞蹈信息后径直飞向蜜源。但实际上蜜蜂在这个过程中花了10分钟而不是1分钟。实验显示,蜜蜂确实能够迅速解读舞蹈提供的信息,然后快速飞抵所指示的地点,而且在它们飞向目标的过程中也不会受风向变化的影响。但是它们飞抵的目的地很少是完全正确的,通常离蜜源都有5到6米的误差。一旦蜜蜂结束了依指示前行的飞行后会改变飞行模式,它们会进行环绕飞行来寻找精确的蜜源。来来回回的环绕飞行一般要耗上10多分钟,正是时差之所在。 
   携带微型雷达收发机的另一个作用是可以准确探测生物武器所在位置。
   为了确定蜜蜂并不是依据气味来寻找食物来源,研究小组还进行了另一个实验。他们先让一些蜜蜂观看了8字舞蹈,然后迅速将它们转移至250米以外的地方再进行放飞。研究者发现,这些蜜蜂还是依据此前观看8字舞蹈所传递的信息进行飞行,它们所抵达的地点正好与真正蜜源位移了大约250米。 
<P>  康奈尔大学的生物学教授托马斯·西利表示:“这是一个非常成功的实验,他们进行了非常精确的操控以至于得到非常明晰结果。但是这里仍存在一些问题,我们不知道当天色阴暗时,旁观的蜜蜂看了8字舞后能否接收到所有信息,而且我们仍不知道这一过程是怎样进化而来的。”美国蒙大拿大学的昆虫学家杰里布罗门申克则认为,这项研究具有广泛应用价值,例如,蜜蜂具有异常灵敏的嗅觉能够记住大量不同的气味,携带微型雷达收发机之后,它可以准确探测出生物武器所在位置。

昆虫的通讯行为

昆虫的行为是指来自感觉器官的刺激信号,通过中枢神经系统的综合抽象,再向效应器──肌肉系统发出动作指令,引起相应部位的活动,它是神经系统、内分泌系统和肌肉系统综合反应的结果。昆虫的行为很多包括昆虫的栖息地行为、繁殖行为、觅食行为、群集行为、飞翔行为、趋避行为及信息传递行为等等。在众多的昆虫行为中,昆虫的通讯行为尤为复杂。

昆虫之间特别是同种个体之间的交往主要是通过个体间相互传递信息即通讯手段而得以实现的。昆虫的通讯包括视觉的、听觉的和化学的三种方式。通讯行为在昆虫寻食、捕猎、集群、报警和求偶等过程中起着十分重要的作用。

1.昆虫的视觉通讯行为

昆虫的视觉通讯是通过昆虫头部感觉器官单眼和复眼来完成的,昆虫能利用视觉识别太阳偏振光,并能利用偏振光来定位、导航和测量时间。昆虫利用视觉进行个体间通讯最为突出的例子要算荧火虫,夏夜里空中游荡的那盏盏“活灯”是雄性荧火虫利用“灯光”在寻找配偶,灯光每隔5.8S闪亮一次,停留在草丛深处的雌性荧火虫由于无翅不能飞翔,只有靠闪烁的荧光识别“求偶信息”,并以每隔2.1S一次的闪光作出应答。

另外,膜翅目昆虫蜜蜂则以舞蹈的方式来传递消息,侦察蜂发现蜜源后回巢报告,当蜜源离巢60m以内时,侦察蜂以“圆舞”向同伴报告;当蜜源距蜂房超过84m时,侦察蜂则改跳“8字舞”,并以一定时间间隔内飞行“8”字的次数多少,表示蜜源的距离远近。蜜蜂之间的这种舞蹈行为也是通过昆虫的视觉通讯来完成的。

2.昆虫的听觉通讯行为

昆虫的听觉通讯十分普遍,而且可越过一定的障碍物。蝗虫、蟋蟀、蝉、蜂、蚊等都存在听觉通讯系统。蟋蟀雄性个体利用鞘翅摩擦发出声音吸引雌性;伊蚊婚飞时常借一定频率的音调寻找配偶,即使两个体相隔36m之遥也能被另一蚊子听到,且可同时探测几个目标。鳞翅目夜蛾科昆虫对超声波有感觉作用,在夜间飞行时能借助听觉来觉察并躲避正在捕食的蝙蝠,有的还更加巧妙地用自己的超声波发生器产生和蝙蝠的侦察波相同强度和频率的应答波来欺骗对方使自己能够逃脱。另外,在发声昆虫如直翅目、鳞翅目、鞘翅目和半翅目等昆虫中,听觉行为对它们的生殖活动、防御天敌、地域性活动等方面的信息联系也起重要作用。

3.昆虫的化学通讯行为

昆虫的化学通讯是指昆虫利用化学物质信息素进行通讯的行为。也是昆虫通讯中最复杂和最重要的一类行为。自然界中每年到一定季节蝴蝶会从四面八方飞到某一固定的地点来“聚会”配偶,蜜蜂受惊动时群体的“蜂反现象”,苍蝇、蚂蚁、蜜蜂的食物追踪,蜂王分泌物质抑制工蜂卵巢发育,甲虫召集其它个体共同取食,蜻蜒吸引其它雌虫到某固定地点产卵等等现象都是利用各类信息素进行气味通讯行为的结果。这些信息素包括性信息素、追踪信息素、报警信息素和社会性昆虫的行为调节素等等。信息素主要通过昆虫的嗅觉器官(触角、口器的触须)来完成,并直接通过昆虫的神经系统和内分泌系统起作用,在同种昆虫间传递信息起着类似人类“语言”的交流作用。所以在化学通讯行为中起重要作用的各类信息素也常被人们称为昆虫的“气味语言”。此外,昆虫中还存在种间信息素如利它信息素和利己信息素等,在不同种昆虫之间可传递信息并引起各种行为反应。

昆虫的各类通讯行为是漫长的进化过程和自然界长期自然选择的结果,各具备的优点和特点。这些行为在昆虫的寻偶觅食、繁殖后代、攻击防卫、信息传递等行为活动中展现出非凡的才能和智慧。昆虫的通讯方式不是单一的,而是多种信号协调配合,通讯信号的完善和综合程度也是随生物的进化而提高的。目前,昆虫的通讯行为在仿生学的应用,人工合成“信息素”及利用现代干扰技术(如声音控制等)防治有害昆虫等科学领域里具有较广阔的前景和实践意义。

 

 

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