The Hidden World of Electrostatic Ecology
24:08 Share

对我们来说是不可见的，昆虫和其他微小的生物利用静电来旅行、躲避捕食者、采集花粉等等。新的实验探索了进化是如何影响这种现象的。 文章《静电生态学的隐秘世界》最早出现在Quanta Magazine上</context> <raw_text>0 欢迎收听Quanta科学播客。每一期节目，我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。对我们来说是不可见的，昆虫和其他微小的生物利用静电来旅行、躲避捕食者、采集花粉等等。新的实验探索了进化是如何影响这种现象的。接下来就是这个话题。音乐

量子杂志是一个编辑独立的在线出版物，由西蒙斯基金会支持，以增强公众对科学的理解。想象一下，你是一只蜜蜂。在许多方面，你的世界很小。

你那四只纤细的翅膀，每只不到一厘米长，承载着你半克重的身体，穿梭在充满巨大动物和植物的逼仄环境中。在其他方面，你的世界是广阔的，甚至是宏伟的。你的五只眼睛可以看到人类看不到的颜色和图案，而你多感觉的触角可以探测到远处花朵的气味。

多年来，生物学家一直在思考蜜蜂是否拥有我们缺乏的另一种宏伟的感觉。它们飞行时积累的静电可能足以让它们通过空气感知和影响周围的物体。这类似于你穿着厚袜子在地毯上摩擦时产生的电荷。众所周知，鳗鱼、鲨鱼和海豚等水生动物可以感知水中的电，而水是电荷的优良导体。

相比之下，空气是一种不良导体，但它可能传递足够的电荷来影响生物及其进化。2013年，英国布里斯托大学的感官生态学家丹尼尔·罗伯特在这个学科中取得了突破性进展。他的实验室发现蜜蜂可以探测和区分从花朵辐射出的电场。

从那时起，更多的实验已经证明蜘蛛、蜱虫和其他昆虫也能做到类似的技巧。这种动物静电会影响生态系统。寄生虫，如蜱虫和线虫，会搭乘较大的动物宿主产生的电场。在一种被称为“气球飞行”的行为中，蜘蛛通过伸出一根丝线来捕捉天空中的电荷而飞行，有时会随风飞行数百公里。

在2024年，罗伯特实验室的研究揭示了静电是如何吸引花粉到蝴蝶和飞蛾身上的，并可能帮助毛毛虫躲避捕食者。这项新的研究不仅仅是记录静电的生态效应。它还旨在揭示进化是否以及如何微调这种电感。

静电最终可能成为小型生物生存的进化驱动力，帮助它们寻找食物、迁徙和侵染其他生物。这个正在发展的领域被称为空中电感受。

它打开了一个新的自然世界维度。亚利桑那大学的行为生态学家安娜·多恩豪斯没有参与这项工作。我认为这完全令人着迷。我认为它真的被低估了。除了这一个小组之外，它还没有被真正研究过，所以到目前为止，我们还没有给予它应有的重视。部分原因是它是无形的。

通常情况下，可见性状更容易被研究，因为它们对我们来说非常突出，因为我们大多是视觉动物。圣安德鲁斯大学的进化生态学家贝尼托·韦恩赖特说。人们很容易就跳到树上。

什么在自然界是适应性的。你知道，当你看到自然界中的一个性状时，它一定是以适应性的方式进化而来的。现在，我们从所有这些关于电感受的精彩实验中知道，电场确实在这些动物的生态学中发挥着作用。

这并不是说它们最初是通过适应性过程出现的。但是现在这些力量存在了，进化就可以作用于它们了。虽然我们无法感知这些电迹，但它们可能会引导我们发现我们从未想象过的动物行为。2012年，维克多·奥尔特加·希梅内斯在和四岁的女儿玩耍时偶然发现了静电。

奥尔特加·希梅内斯在加州大学伯克利分校研究动物运动的生物力学。

他和女儿正在使用一个可以收集静电来使轻型物体（如气球）悬浮的玩具魔杖。“我们当时正在玩这个，然后我们在家里玩腻了，我们就到外面去了，我们开始给东西充电，玩这个。我女儿拿着魔杖，把它插进蜘蛛网上，它反应非常快。所以我当时在想，昆虫呢？魔杖吸引了蜘蛛网。

他立即开始将他关于昆虫与环境相互作用的奇怪方式的研究联系起来。所有物质——魔杖、气球、蜘蛛网、空气——都在努力平衡其正负粒子，或者用科学术语来说，质子、电子和离子。在一个难以想象的小尺度上，奥尔特加·希梅内斯的玩具嗡嗡作响，失去了平衡，

一个电机将负电荷吸入，迫使正电荷到达魔杖的表面。这就是静电。就像你用气球摩擦你的头一样。摩擦会将电子从你的头发转移到橡胶上，使它充满静电，这样当你举起气球时，头发就会飘起来。

奥尔特加-吉梅内斯认为，类似地，昆虫翅膀的摩擦可能会将负电荷从身体转移到空气中，使昆虫带正电荷，同时产生负静电区域。他意识到，如果蜘蛛网带负电荷，而昆虫带正电荷，那么蜘蛛网可能不仅仅是一个被动的陷阱。它可以通过静电向猎物移动并吸引猎物。

他的实验室实验恰恰证实了这一点。当受到苍蝇、蚜虫、蜜蜂甚至水滴的静电冲击时，蜘蛛网会立即变形。蜘蛛更容易捕捉带电的昆虫。他看到了静电如何改变动物相互作用的物理学。

动物静电的魔力都与大小有关。大型动物不会有意义地体验自然的静电。我们太大了，感觉不到它。这是奥尔特加·希梅内斯再次说道。静电的统治很重要，因为我们人类或许多大型动物都是生活在一个引力或流体动力学世界中。但对于微小的生物来说，重力是事后才考虑的。

昆虫可以感觉到空气的粘度。虽然同样的物理定律支配着地球上最小和最大的物种，但力的平衡会随着大小而变化。池塘上水黾的脚下的分子间力会弯曲。毛细作用力将水不可思议地向上射入植物细小的根部。静电力可以捕捉到任何在其路径中带相反电荷的微粒。

带电微粒是对花粉粒的恰当物理描述。

在奥尔特加·希梅内斯注意到蜘蛛网捕捉昆虫几年后，丹尼尔·罗伯特的团队发现蜜蜂可以在不接触花粉的情况下收集带负电的花粉。“我们开始意识到，当昆虫，你可以在YouTube视频上看到这些东西，当传粉者或蜜蜂接近一朵花时，花粉会从花跳到蜜蜂身上。

基本上不需要蜜蜂和花之间接触，花粉就能跳跃，在两者之间转移。我当时在实验室里有一个物理专业的学生，他说，看，这不是弹道轨迹。这是一个对静电力有反应的轨迹。这一发现让罗伯特认为静电可以实现植物与传粉者之间的互利共生。

这是一个众所周知的共同进化例子。这种动态已经很好地确立了。在这种动态中，蜜蜂以花的蜜为食，并收集花粉来喂养幼虫，同时也传播花粉，使植物繁殖。但静电荷的潜在作用是全新的。在过去的十年里，罗伯特建立了一系列工作，揭示了昆虫和蛛形纲动物利用和体验静电的多种方式。

蜱虫跳跃，蜘蛛气球飞行，蜜蜂感知另一只带正电的蜜蜂最近访问过的花的负电荷。他甚至发现空气和昆虫之间的带电关系是双向的。蜜蜂群会散发出大量的负电荷，从而改变它们周围的电位梯度。

根据罗伯特的估计，沙漠蝗虫群产生的大气电荷与云和雷暴相当。罗伯特和奥尔特加·希梅内斯的结论是积极的。

但对他们来说，节肢动物的物理学使静电力不可避免。“多年来，你实际上测量了各种物体的电荷，你意识到，一旦一个物体带电，它就会对另一个带电的物体施加力，当然，反之亦然。

因为小型昆虫往往又尖又角，并且具有特殊的表面积与体积比，所有这些参数物理学家都可以告诉你，是的，这需要更高的电荷密度。

事实证明，它们的世界比我们的世界更具电性。尽管如此，实验并不能得出结论，这些生物控制着这种静电功能，或者它是如何进化的，如果它真的进化了的话。罗伯特想知道，昆虫利用静电场是巧合还是适应性？

萨姆·英格兰把对自然的热爱写在脸上。他身上有六个动物纹身，包括一个装饰着我们太阳系行星的树蝉，这是他对物理学背景的致敬。这两个世界的结合驱使着他的好奇心。物理学是如何塑造动物行为的？

他转向感官生态学攻读研究生，并加入了布里斯托大学罗伯特的实验室，追逐昆虫主动利用静电来影响其环境的假设。

因为静电世界对人类研究人员来说是不可见的，所以它的力量很难研究，甚至在你加入不可预测的生物之前。在生物学领域进行研究比物理学要困难得多，因为你必须依靠活体动物来做一些事情。

英格兰想测试一下鳞翅目（包括蝴蝶和飞蛾的飞行昆虫）在飞行过程中是否会积累足够的静电来从它们为了吸食花蜜而访问的花朵中收集花粉，就像蜜蜂一样。但首先，他必须想办法测量昆虫的静电荷。散步是英格兰用来哄骗昆虫在空中停留30秒的最佳比喻。

所以我们建造了一个盒子。这些蝴蝶会非常漂亮地来到盒子的入口，然后如果我把环安装在入口附近，它们就会飞过一个环。但是许多其他物种不会这样做。所以我不得不把小套索绑在它们的腰上。

然后当你举起一只蝴蝶或飞蛾时，一旦它们的腿不接触地面，它们基本上就开始飞行了，因为它们想，我在空中，所以我必须需要飞行。所以我基本上就像用钓鱼线把它们飞来飞去。英格兰说这就像遛狗，但对象是蝴蝶或飞蛾。

罗伯特解释了它的工作原理。“我们可以让它们飞过一个铜环，我们可以测量感应电荷。然后我们可以让它们接近一个轻微导电的物体，比如一朵花，并在花中放置一个电极。

当昆虫接近花朵时，更不用说落在花朵上时，我们可以看到偏转，无论是正在发生的电位，还是电荷。英格兰研究了11种原产于不同气候、生态系统和生活方式的蝴蝶和飞蛾。在它们在笼子里飞行了30秒钟后，有足够的时间积累静电荷，他引导它们穿过环。所有11个物种在飞行过程中都带上了电荷。

有些物种达到了每米约5千伏的静电荷。他计算出这足以将带负电的花粉从6毫米外拉过来。

当像蝴蝶和飞蛾这样的有翅昆虫直接落在花朵上时，花粉自然会粘在它们的身上。它们不需要传粉，因为它们总是可以直接落在花粉上并与花粉接触，然后花粉就会粘在它们身上。但基本上我们提出的观点是，因为它允许花粉穿过气隙被吸引，它将提高它们作为传粉者的效率。所以它使传粉更有可能发生。

为了衡量静电的进化意义，英格兰寻找动物在野外行为与其电荷的相关性模式。他发现了一些。例如，夜间飞蛾的电荷往往比其他物种少。为什么？

英格兰推测，强电荷可能会使昆虫更容易被依赖于非视觉线索（如静电）的捕食者在夜间发现。因此，最小化电荷可以帮助飞蛾生存。

奥尔特加-吉梅内斯说这篇论文包含了伟大的新数据，但他警告说，这项研究的11个物种只是世界上大约18万种鳞翅目昆虫（包括蝴蝶和飞蛾）的一个适度的代表。为了声称静电适应性，我认为它需要更广泛。但这是一个很好的假设。为了让昆虫对静电信息起作用，它们必须能够探测电场——

根据罗伯特实验室的研究，蜜蜂和蜘蛛身上的微小毛发似乎有助于感知。

英格兰最近通过研究毛毛虫在静电作用下微小的毛发是如何偏转的，从而扩展了这一未解决的科学问题，以了解电信息如何帮助毛毛虫生存。“我们知道这些昆虫通常会积累静电荷。它是否会在最重要的生态相互作用中成为一种感觉线索，在我看来，那就是捕食者与猎物之间的相互作用？

所以我们测量了黄蜂的电荷，我们看到它们确实带电了。然后我们用这些测量的电荷来计算，就像我们模拟了黄蜂和坐在植物上的毛毛虫之间的电场。然后……

这给了我们预期的电场强度。然后我们将毛毛虫暴露在这些模拟黄蜂电场的黄蜂中，我们看到它们要么启动防御行为，要么进行更长时间的防御行为。所以它基本上暗示毛毛虫可以探测到静电，并且它们也将其视为附近有捕食者的迹象。

行为生态学家安娜·多恩豪斯质疑电感受是否能为毛毛虫争取更多时间。然而，捕食者与猎物冲突的高风险表明，任何优势都可能很重要。捕食者与猎物的相互作用是生死攸关的问题。我的意思是，对于单个毛毛虫来说，即使只是稍微增加了生存机会，这也会使其成为一种进化相关的行为。

奥尔特加-吉梅内斯犹豫不决，但对英格兰的研究印象深刻。“就生物而言，捕食者总是机会主义者。奥尔特加-吉梅内斯渴望获得更多数据，理想情况下来自野生动物，以检查自然行为。那么谁赢得了这场游戏？谁更能利用捕食者？

随着越来越多的证据将静电与生存联系起来，一个故事正在出现，即进化可能会像任何其他性状一样微调感知或携带电荷的能力。

贝丝·哈里斯是罗伯特实验室的研究生。“事实上，有如此广泛的物种具有不同的生态，我认为这就是它如此有趣的原因，因为现在开始变得清楚，有一个真正的宝藏等待开启。随着罗伯特实验室工作的继续，昆虫和蛛形纲动物对静电的探测和积累并非偶然的怀疑也随之而来。

具有更好电感受的毛毛虫，或携带较低电荷的夜间飞蛾，可能更好地躲避捕食者。如果它们存活下来繁殖更多，那么这些基因和性状，包括那些帮助生物感知和利用静电场的基因和性状，可能会在后代中变得更强大、更普遍。开始变得不可能忽视静电在动物界的影响可能比我们今天所知道的更大。

整个生态系统可能依赖于隐藏的电场。这是英格兰再次说道。“在我看来，这基本上是额外的信息来源或额外的力量来促进生态过程。但我认为这可能不像，我认为世界会在没有它的情况下继续运转。如果你突然取消了静电，我认为你不会出现大规模灭绝的情况。

或类似的事情。但我认为我们会惊讶于有多少动物必须适应不使用它。静电力作用于毫米和厘米的尺度，但它们的集体影响可能要大得多。例如，社会性蜜蜂，如大黄蜂，会为其他群体成员和幼虫收集食物。

安娜·多恩豪斯研究蜜蜂如何与花朵互动。“每个大黄蜂个体都必须做出这些决定，必须探测到一朵花，决定是否落在上面，然后提取花蜜，每天可能数百次，当然在其一生中数千次。许多其他个体基本上依赖于这只蜜蜂成功地收集食物。

所以即使我们认为可能是在个体决策层面，相当细微的差异，对吧？所以能够更快地探测到花朵，或者在识别正确花朵方面准确率提高10%。这似乎是一个微小的影响，但实际上，如果你考虑到蜜蜂以及它们如何觅食，以及它们必须连续做出数百甚至数千个决定并为大约10个同伴收集足够的食物，如果你这样想的话，即使蜜蜂在探测和

决策准确性方面有相当小的改进，对它们来说在进化上也可能相当重要。如果静电荷有助于传粉，它们也可能改变植物的进化。整个领域，你知道，研究动物之间的静电相互作用，有可能揭示我们甚至没有想到的关于世界运作方式的事情。也许花的某些基本特征实际上只是为了产生正确的静电场。我们没有认识到这一点，因为

我们看不到它们，因此我们只是忽略了花的生命中的整个维度。这个想法并非如此牵强。2021年，丹尼尔·罗伯特的团队观察到，在类似蜜蜂的电场周围，矮牵牛释放出更多吸引昆虫的化合物。罗伯特说，这表明花朵会等到传粉者附近时才主动将它们吸引得更近。

多恩豪斯说我们是一种视觉物种，所以我们可能会注意到不同的东西。“人类非常注重视觉，因此我们倾向于强调那些外观艳丽且具有强烈颜色图案的花朵。但当然，许多花实际上在我们可以感知较少的模式中具有强烈的信号，无论是气味还是视觉上的紫外线范围。

因此，对于某些花朵来说，电场实际上比颜色对蜜蜂来说更重要的信号。现在，我们真的不知道这一点。然而，围绕静电生态学的进化细节充其量也只是模糊不清。

进化生态学家贝尼托·韦恩赖特说道。“这真是太神奇了，我们知道的太少了。即使在更好地理解的视觉和声学系统中，生态学家也才刚刚开始连接进化的点。

由于静电一直未被人们注意，英格兰担心人类在不知不觉中通过使用电器、电子设备甚至化肥来阻碍动物利用这些力量的能力。“我们已经发现了这种力量，它在许多不同的生态相互作用中发挥着作用。

它也是我们经常污染环境的一种力量。我们从电力线或家中的电器、变压器和所有这些东西中产生大量的静电污染。就像我们一直在向环境中排放静电物质一样。即使我们衣服上的合成纤维也会这样做。通常情况下，合成材料比有机材料积累更多的电荷。

所以我们正在向大气和环境中投入大量的静电物质，我们还没有意识到这也会干扰许多动物的生态。英格兰说，如果昆虫对黄蜂的翅膀拍打很敏感，那么它们可能对电力线也很敏感，这可能会破坏整个系统。

自从完成博士工作后，英格兰现在在柏林自然历史博物馆担任博士后研究员，研究动物视觉。

他希望有一天能拥有自己的实验室来探索这些保护问题，并发现空中电感受和静电行为（如交配）的新案例。“梦想是静电感知，或者像空中电感受一样，是众所周知的，并被认为是动物感觉库的常规部分。我认为仅仅将其视为一种广为人知和理解的感觉将是令人惊奇的。

实现这一梦想需要更多研究，这些研究需要寻找比我们小得多的生物的进化秘密，从而扩大我们的世界。

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。要了解更多关于这个故事的信息，请阅读Max G. Levy的完整文章《静电生态学的隐秘世界》，该文章发表在我们的网站quantamagazine.org上。在量子书籍《质数阴谋》中探索数学奥秘，该书由麻省理工学院出版社出版。现在可在amazon.com、barnesandnoble.com或您当地的书店购买。