許多人一提到蜘蛛就會感到恐懼，但其實蜘蛛還更有趣，這取決于你對這些八條腿的爬行動物的態度。事實證明，有些蜘蛛可以“漂浮”數百公里，有些甚至會出現在離地面三公里的地方。這些沒有翅膀的生物到底是怎么飛起來的呢？來自英國 Bristol 大學的一些研究人員通過仿真和實驗幫助我們闡明了這個古老的謎團。

蜘蛛，無處不在的蜘蛛！

Charles Darwin（查爾斯·達爾文）在1831年至1836 年間曾乘坐貝格爾號船艦環游世界。在這艘船上，他作為一名博物學家在日記中寫滿了對動植物的觀察。1832 年的萬圣節，達爾文在船的甲板上目睹了一些詭異的現象：數百只細小的浮動眼睛凝視著他。這些眼睛屬于一大群蜘蛛。這艘船離海岸不遠，達爾文知道這些小流浪者必須要旅行很長一段距離才能上船。達爾文在他的日記中寫道：“我抓到了一些至少要走90公里的飛艇駕駛員——蜘蛛。”

2015 年，這種現象又在澳大利亞的南部高原地區發生。據報道，數百萬只蜘蛛從天上掉下來。這次大規模的“跳傘事件”導致大量的絲網覆蓋地面——看起來像暴風雪襲擊了這個地區！

這種奇特的蛛形綱動物行為被稱為“熱氣球飛行”，即蜘蛛爬到一個尖的表面（例如樹枝或一片草葉）上，然后腹部朝天，從吐絲器中射出蛛絲并發射到空中。

大型蜘蛛的飛航觀察研究。圖片由 Cho M，Neubauer P，Fahrenson C,Rechenberg I 提供。通過Wikimedia Commons共享，獲CC BY-SA 4.0許可。

縱觀歷史，這種蛛形綱動物和其他無脊椎動物表現出的反重力行為一直是引起科學界爭議的話題。一些研究人員認為，這種效應是由風引起的，就是風使蜘蛛和它的絲線在陸地和海洋上漂移了數百公里；另一些研究人員卻認為，出現這種現象與地球的電場有關。

研究反重力蜘蛛的行為

Bristol大學的研究人員 Erica Morley 和 Daniel Robert 在多物理場實驗和仿真的幫助下，對這一現象進行了研究，并在2018 年發表在Current Biology上的一篇論文中分享了他們的研究成果。

“我們驗證了這樣一種假設：蜘蛛可以探測到與[大氣電勢梯度]（APG）相關的電場分布（e-fields），并以此帶動它們飛行。”

–Erica Morley 和Daniel Rober，Current Biology，2018年

位于地球和電離層之間的大氣電勢梯度，是大氣中持續存在的電場。它的強度和極性會因當地天氣條件的變化而變化，并且在雷暴天氣中強度最大。大氣電勢梯度是帶負電的地球表面與帶正電的電離層相互作用的結果。眾所周知，大黃蜂和蜜蜂等昆蟲可以探測并利用電場。但在 Morley 和 Robert 研究之前，蜘蛛是否具有相同的電場探測能力仍是一個謎。

地球的大氣層和電離層。通過 Wikimedia Commons 在公共領域中的圖像。

在討論他們的實驗和仿真工作之前，Morley 和 Robert 首先談到了圍繞風力單獨作用于蛛形綱動物飛行的理論解釋。

“許多蜘蛛是使用多股展開的扇形絲線飛行的。每條絲線都是分開的，而不是在微風中纏結和蜿蜒，這說明蛛絲上存在靜電斥力。”–Erica Morley 和Daniel Robert，Current Biology，2018年

飛行時的蜘蛛絲示意圖。

Morley 和 Robert 還指出，蜘蛛在僅存在非常輕的風（低于 3 ms-1）的情況下就可以飛行，但是模型顯示，這種風況的強度不足以使大型蜘蛛飛行。但是，人們已經發現大型蜘蛛也可飛行，這進一步支持了一個假設：即除了風的氣動阻力之外，一定有其他因素在起作用。

實驗時間

首先，Morley 和 Robert 捕捉了一些成年的 Erigone 蜘蛛（又名金錢蜘蛛），將它們放在了一個大塑料盒（1 m × 1 m × 1 m）中，并將每只蜘蛛小心地放在一個垂直的紙板條上。整個測試在法拉第籠室中進行，這是一個用來屏蔽電磁場的封閉空間。在實驗過程中測量的濕度和溫度水平分別在 50.5％RH±5.4 和21.2°±0.9 的范圍內，許多研究表明蜘蛛通常在低濕度下飛行。

在盒子里時，蜘蛛暴露于電場中，與它們在自然環境中承受的電場類似，并開始表現出一種蜘蛛在飛行之前從未見過的行為：踮起腳尖。就像他們的假設中描述的那樣，打開電場時，蜘蛛開始飛行，而當電場被關閉時，蜘蛛停止了反重力的特技飛行。

金錢蜘蛛通常僅幾毫米長，并以其飛行行為而著稱。圖片由 Mike Hutchinson 提供，由布里斯托爾大學的 D. Robert 提供。

蜘蛛是如何探測電場的？Morley 和Robert 認為，這與蜘蛛的纖細的動力傳感毛發（即毛簇）有關。他們認為蜘蛛的毛簇類毛發與幫助大黃蜂探測電場的大黃蜂動力傳感毛發類似。在實驗過程中，當電場被打開時，蜘蛛的毛簇毛發感知并開始移動，而其他毛發則沒有。因此，金錢蜘蛛似乎會探測周圍的電場并評估環境是否有利于飛行。研究人員認為，實際上，這些細小的電場感應毛發可能會告訴它們要走到哪里才能找到這樣的飛行感應電場。

蜘蛛的一根毛簇毛發示意圖。

基于他們的發現，Morley 和Robert 認為風和電場的結合才是引起蜘蛛飛行的原因。

模擬電場

完成實驗后，研究人員開始進行仿真研究。他們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件進行了有限元分析（FEA），并在實驗區域內的樹木和電場周圍建立了 APF 的有限元模型。

“通過在不穩定的天氣中以 1 kV·m-1 或 4 kV·m-1 的電場強度對 APG 進行建模生成APG-樹相互作用的模型。在這里，接地電位設置在于 5 m 以下的土壤中，土壤與樹木之間有一個電場邊界。”–Erica Morley 和Daniel Robert， Current Biology ，2018 年

研究人員將實驗場地建立為紙板的起飛點（具有合適的材料特性），并將電勢建立為空氣上方的板塊。就像在實際實驗中一樣，他們還在起飛點下方模擬了一個水盤。（在實驗中，水盤用于防止蜘蛛逃脫）。

在他們的模型中，實驗場的表面保持在接地電位，而實驗場的頂板被設置為 5000 V （這是他們在物理場實驗中使用的最大電壓）。

左：APG 強度為 4kVm-1 的橡樹周圍電場增強的 FEA 模型。圖片由Bristol大學的 EL Morley 和 D. Robert 提供。右：荷蘭的孤橡樹。圖片由 JürgenEissink 提供。通過Wikimedia Commons共享，獲CC BY-SA 4.0 許可。

模擬樹及其周圍樹枝的 APF非常重要，因為蜘蛛通常會在這類表面上飛行。（尖銳的幾何形狀使得尖銳表面周圍的電場最強，這可以解釋為什么蜘蛛選擇在它們身上表演反重力的技巧。）

左：FEA 模型突出顯示了 APG 強度為 4kVm-1 的尖樹枝周圍的電場。圖片由Bristol大學的 EL Morley 和 D. Robert 提供。右：無葉樹枝。圖片由 Tiia Monto 提供。通過Wikimedia Commons共享，獲CC BY-SA 3.0許可。

為什么蜘蛛會做出這種反重力的壯舉？

由于饑餓和安全原因，剛孵出的蜘蛛或幼蛛經常參加大規模飛行運動，以便于它們從母親的網中移出。（有趣的事實：E B White 曾在《夏洛特網絡》一書中也描述了這種大規模的飛行事件）。

無論它們離開的原因是什么，一些研究人員認為這種影響使蜘蛛成為第一批在新大陸上（例如火山島或遭受自然災害摧毀的地區）定居的物種。

通過研究蛛形綱動物的飛行行為，我們可以進一步了解種群動態、物種分布和生態適應力，這對于全球生態學至關重要。

因此，如果您碰巧看到一大群蜘蛛在空中飄浮，請不要驚慌。畢竟，這是科學！

參考文獻

E.L. Morley and D. Robert, “Electric Fields Elicit Ballooning in Spiders”,Current Biology, vol. 28, no. 14, pp. 2324–2330, 2018.

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