为啥斑马有条纹?从搞笑诺奖说起~

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再过不久,举世瞩目的诺贝尔奖就要公布了!在正式诺贝尔奖公布前,我们先来看看搞笑诺贝尔奖~搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel Prizes)专门授予那些”看似让人发笑,但实则让人深思”的”非主流”研究。设立这一奖项的初衷也是为了表彰那些”不一样”的研究,表达对想象力的尊重,并启迪人们对科学、医学和技术领域的兴趣。

今年的搞笑诺贝尔物理学奖颁给了盖伯·霍瓦斯(Gabor Horvath)和他的同事们,为了表彰他们研究了为什么白色的马最不易受马虻叮咬,以及蜻蜓为什么会受黑色的墓碑的吸引。麦子老师看到后激动地表示:我靠这不我课上讲过的么?!

事情是这样的:麦子老师在上课的时候和学生们讨论过斑马为啥要有一身的黑白条纹这个问题,在同学们纷纷脑洞大开地提出自己的猜测假说后,麦子老师进行了简单的总结–早年的观点一直以为这是一种保护色,有助于斑马在草原上伪装自己,不引起色盲狮子的注意。之后虽然还出现过控制热量(黑条热白条凉,厉害了斑马哥!)、同类识别(打招呼时请扫描条形码)、性选择(交配前请扫描条形码)等学说,但麦子老师觉得最靠谱的还是大群斑马通过条纹混淆了捕食者的视野,让其无法发现真正个体的轮廓这种解释。

不过,看起来科学家们显然不满足于这些解释,又马不停蹄地提出了其它理论。比如早在1981年,J.K.Waage就指出,斑马的条纹可能是蚊虫叮咬选择的结果;2014年Tim Caro等人更是通过统计调查发现:在整个非洲大陆,马科动物的条纹数量和密度与牤蝇类的活跃程度呈正相关(下图所示)!当然啦,我们非常清楚,正相关不代表就具有因果关系,这可以参见著名的吃巧克力可以让人变聪明的梗(不清楚的同学自行百度~)。

分布

上图为世界各地各类马科动物的分布,下图为虻与舌蝇的分布

种类

上图展示了不同马科动物的分布及分布地的蚊蝇活跃程度,可见蚊蝇越活跃地区动物躯干与腿上的条纹越多越密

而来自匈牙利的Gabor Horvath和他的瑞典基友们恰恰就为这个假说补充了其中重要的因果关系这一环。最终结论是–斑马的条纹并不是针对狮子,而是为了驱赶吸血牛虻和马蝇。

我们知道,雌性牛虻每日要靠吸血为生,它们具有特殊的偏振光视力,用于导向寻找食物与繁殖场所。Gabor他们发现,因为布儒斯特定律的缘故,黑色和棕色的马其身上反射回来的光是水平方向的偏振光,这种光在饥肠辘辘的牛虻眼里,就代表着一顿大餐;而白马毛皮反射出来的光是非偏振光,沿着不同方向反射并不那么吸引苍蝇。结果就是,深色的马匹招蚊蝇,而白色的马匹受到的骚扰要少得多。

布儒斯特定律

左图为布儒斯特定律的图示,右图显示的是斑马在偏振光视觉下的大体形象

【*布儒斯特定律:布儒斯特通过实验发现自然光入射到介质表面,若反射光线和折射光线相互垂直时,反射光为完全偏振光,即若把电矢量分解为平行分量P振动和垂直分量S振动,其反射光中只有S振动分量,P分量完全不能反射。感兴趣的同学可以关注微信平台:物理竞赛问俏哥,了解详情~】

那么斑马又是什么情况呢?Gabor他们整了一堆板子(恩没错就是一堆木板),然后在上面漆上不同的色块,黑色、白色、不同大小的黑白格子、不同宽窄紧密以及排列的黑白条纹,再把这些板子放置在匈牙利乡村马场的一块空地上。他们等漆干了之后在板子上涂上粘了吧唧的胶水,然后统计一段时间后粘在板子上的昆虫数量,用以反应其对昆虫的吸引程度。他们甚至还专门做了等大的3D马模型。。。再同样的刷漆涂胶做同样的模拟实验。。。(如下图)

实验

结果他们惊奇地发现,虽然根据理论推测斑马应该没有深色马那般吸引牛虻或马蝇,而比白马更符合这类吸血昆虫的喜好,但事实上和斑马皮毛最接近的条纹板子吸引的马蝇的数量最少,甚至比反射非偏振光的白色板子还少。要知道,在这种斑纹里同样也有反射水平偏振光的深色区域存在,可这些狭窄的纹路却能让斑马变得对苍蝇不那么”具有吸引力”;并且纹路越狭窄(越接近斑马的纹路)对马蝇的吸引力就越小。这或许就能解释斑马脸上和脚上的条纹为什么最狭窄,因为那里的皮肤厚度最薄(如下图)。

实验图

上图显示了条纹间距与蚊虫粘附数目的关系

至于蜻蜓和墓碑,故事也是一样哒~蜻蜓同样是具有偏光视觉的昆虫,而墓碑光滑表面的反射像极了蜻蜓喜好的水面(蜻蜓具有点水产卵的习性),自然蜻蜓就喜欢粘在墓碑上啦!

蜻蜓

当然,像斑马的条纹这种现象,在进化中绝对不止存在一种解释,因为它涉及牵连了太多因素。Brenda Larison等人通过模拟预测研究发现,貌似在斑马条纹的进化与防止蚊虫叮咬之间的关系并无明显的证据支持。Gabor本人也考虑到了蚊虫通过气味找寻食物的能力,在偏光视觉的基础之上又进行了大量的多因素研究,如增加了氨气与CO2对蚊虫叮咬几率的考察等等。

对比

他还专门写了一本书,就叫做《Polarized Light and Polarization Visionin Animal Sciences》,脑洞也挺大的,大家可以自行感受一下这画风。。。挺好~

参考书
甲虫
金龟子

研究一下金龟子的结构色在左、右旋偏振光下看起来是不一样的

参考文献:

Ecological traps for dragonflies in a cemetery: the attraction of Sympetrum species (Odonata: Libellulidae) by horizontally polarizing black gravestones, Freshwater Biology, 2007, 52, 1700.

Polarotactic tabanids find striped patterns with brightness and/or polarization modulation least attractive: an advantage of zebra stripes, J. Exp. Bot., 2012, 215, 736.

Stripes disrupt odour attractiveness to biting horseflies: Battle between ammonia, CO2, and colour pattern for dominance in the sensory systems of host-seeking tabanids, Physiology & Behavior, 2013, 119, 168.

Polarized Light and Polarization Vision in Animal Sciences, 2nd edition, by Gábor Horváth, 2014

The function of zebra stripes, Nature Comm., 2014, 5, 3535.

How the zebra got its stripes: a problem with too many solutions, Royal Society Open Science, 2015, DOI: 10.1098/rsos.140452.

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