这种小虫子靠静电捕捉会飞的昆虫

“我们已经确定了这种蠕虫用来击中目标的静电机制，并证明了这种机制对蠕虫生存的重要性，”共同作者、埃默里大学物理学教授贾斯汀·伯顿说，他的实验室领导了实验室实验的数学分析。“更高的电压，再加上微弱的风，大大提高了跳虫连接到飞行昆虫的几率。”
加州大学伯克利分校生物力学助理教授、共同第一作者维克多·奥尔特加-希门尼斯补充道：“你可能期望在大型动物身上有重大发现，但小型动物也隐藏着许多有趣的秘密。”他领导了实验工作，使用高速显微镜拍摄针尖大小的蠕虫向带电果蝇发射自己的画面。
研究人员发现，昆虫翅膀在空气中移动时会产生数百伏特的电场。这种电荷会在蠕虫体内感应出相反的电荷，产生将两者拉在一起的吸引力。他们证实，这个过程是由静电感应驱动的。
“利用物理学，我们了解到了生物体适应策略中一些新的有趣知识，”该论文的共同第一作者、伯顿实验室的博士后研究员冉然（Ranjiangshang Ran）说。“我们正在帮助开创新兴的静电生态学领域。”
其他贡献者包括佐治亚理工学院的萨阿德·巴姆拉和桑尼·库马尔，他们研究跨物种的生物力学并进行了初步试验；还有加州大学河滨分校的线虫生物学家阿德勒·迪尔曼。
微小生物的“带电”生活
静电——当你触摸门把手或拉毛衣时感受到的火花——是当电子积聚并在接触导体时突然放电产生的。
虽然对人类来说，这只是短暂的恼人电击，但科学家们发现，静电在许多小型生物的生存和行为中起着重要作用。
2013年，奥尔特加-希门尼斯发现蜘蛛网可以利用附近昆虫的电荷将其吸引并困住。其他研究表明，蜜蜂利用静电力收集花粉，花螨通过静电引力附着在蜂鸟身上，“乘气球”的蜘蛛依靠带电的蛛丝进行长距离漂移。
伯顿和奥尔特加-希门尼斯最近还为《寄生虫学趋势》撰写了一篇评论，探讨静电如何影响蜱虫。
“蜱虫可以被毛茸茸的动物从地上吸起来，纯粹是通过动物皮毛中的静电，”伯顿解释道。
在测试这种现象的实验中，奥尔特加-希门尼斯开发了一种技术，可以精确控制被拴住的蜱虫的电荷。这项创新提供了推进新线虫研究所需的缺失方法。
跳虫的“出击”
在目前的论文中，研究人员想要研究静电力与空气动力学结合如何影响小卷蛾斯氏线虫（S. carpocapsae）连接飞行昆虫的成功率。
小卷蛾斯氏线虫是一种不分节的蛔虫，即线虫，它通过与细菌的共生关系杀死昆虫。这种蠕虫在地球上除极地外的几乎所有土壤中都能茁壮成长。它越来越多地用于农业生物防治，世界各地的研究人员正在研究如何进一步提高其作为天然杀虫剂的效力。
当蠕虫感觉到头顶有昆虫时，它会蜷缩成一个圈，然后向空中发射自己，高度可达其体长的25倍。这相当于一个人跳得比10层楼还高。
“我认为这些线虫是世界上最小、最棒的跳跃者之一，”奥尔特加-希门尼斯说。他指出，在令人眼花缭乱的杂技般跳跃中，它们的旋转速度为每秒1000次。
如果蠕虫击中目标，它会通过自然开口进入昆虫体内。然后它会释放共生细菌，这些细菌会在48小时内杀死昆虫。宿主死亡后，蠕虫以繁殖的细菌和昆虫组织为食，并产卵。在昆虫尸体中可能会繁殖几代，直到幼虫蠕虫进入环境中，用细菌感染其他昆虫。
细致的实验
研究人员设计了实验来研究蠕虫连接飞行昆虫能力背后的物理学原理。
在自然界中，飞行昆虫的翅膀与空气中的离子摩擦会产生数百伏特的电压。物理学家需要知道实验模型中使用的果蝇的确切电荷。这需要奥尔特加-希门尼斯将一根连接到高压电源的细电线粘在每只果蝇的背上，以控制其电压。
“把电线粘在果蝇身上非常困难，”他说。“通常，这要花我半个小时，有时甚至一个小时。”
另一个挑战是确定在实验装置中诱导蠕虫跳跃的合适条件。奥尔特加-希门尼斯使用湿润的纸作为基质。纸必须刚好足够湿，但又不能太湿。最后，蠕虫需要一阵温和的空气或轻微的机械干扰来促使它向悬浮的果蝇跳跃。
奥尔特加-希门尼斯进行了数十次实验，用一台特殊的高速相机记录下来，该相机能够以每秒10000帧的速度捕捉亚毫米级蠕虫的空中轨迹，这些蠕虫对人眼来说基本上是看不见的。
他还为一些实验创建了一个微型风洞，以便物理学家能够分析环境微风在蠕虫目标成功率中的作用。
数据数字化
冉然使用计算机软件，从大约60个实验视频中提取蠕虫的轨迹并将其数字化。在蠕虫离开相机焦平面导致图像模糊的情况下，这个过程非常耗时，此时冉然需要手动点击来记录它的位置。
冉然使用一种称为马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）的计算机算法来分析数字化数据。（“马尔可夫”是以开发该算法的数学家命名的，而“蒙特卡洛”指的是摩纳哥以赌场闻名的地区。）
“MCMC允许你进行随机探索，使用不同的参数集来确定结果的数学概率，”冉然解释道。
冉然为单条蠕虫的轨迹确定了50000个合理的拟合参数值——例如昆虫的电压、蠕虫的物理尺寸和发射速度——以测试蠕虫体内特定电荷使其击中目标的概率。
没有静电时，19条蠕虫轨迹中只有一条成功到达目标。
模型显示，数百伏特的电荷——飞行昆虫中常见的量级——会在跳虫体内产生相反的电荷，并显著增加其与空中昆虫连接的几率。仅100伏特的电荷导致击中目标的概率不到10%，而800伏特将成功概率提高到80%。
蠕虫跳跃时会消耗大量能量，并且在空中悬浮时面临被捕食或干涸的风险。
“我们的研究结果表明，如果没有静电，这些蠕虫进化出这种跳跃捕食行为就毫无意义，”冉然说。
科学的过去与未来
研究人员曾推测静电感应是驱动蠕虫与其目标相互作用的机制。查阅研究论文最终让他们找到了苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的感应定律。
“麦克斯韦是有史以来最多产的物理学家之一，他有着和爱因斯坦相似的丰富想象力，”冉然说。“事实证明，我们的蠕虫充电机制模型与麦克斯韦在1870年对静电感应的预测一致。科学史上有许多被埋没的宝藏。有时做科学家就像做考古学家。”
由于蠕虫体型微小，阻力是方程的另一个关键部分。研究人员用保龄球在空中飞（受阻力影响不大）和漂浮的羽毛（高度依赖阻力）进行类比。
冉然从实验数据中模拟了静电电荷与不同风速结合的影响。结果显示，仅0.2米/秒的微弱微风与更高的电压结合，进一步增加了蠕虫击中目标的可能性。
这项工作为进一步研究静电在生态学中的作用提供了新框架。
“我们生活在一个电的世界，电无处不在，但小型生物的静电学在很大程度上仍然是一个谜，”奥尔特加-希门尼斯说。“我们正在开发工具来研究围绕这个谜团的更多有价值的问题。”
这项工作得到了W.M.凯克基金会和埃默里大学文理学院塔巴顿博士后奖学金的资助。