2019 年 5 月 2 日

半英寸甲虫如何发现 80 英里外的火灾

追火甲虫感知热量的能力近乎诡异

本文发表于《大众科学》之前的博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

顾名思义，追火甲虫一生都在试图寻找森林火灾。

为什么一种生物会选择进入所有其他森林生物都在积极尝试逃离的境地，这是一个引人入胜的自然历史问题。但事实证明，这种甲虫有一个很好的理由。刚烧焦的树木是追火甲虫的幼虫食物。它们唯一的幼虫食物。

因此，追火甲虫如此执着于这个目标，以至于它们甚至会咬消防员，可能把他们误认为是异常柔软且气味难闻的树木。

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它们至少在加州大学伯克利分校的加州纪念体育场的一场足球比赛中出现过——该体育场不幸地位于最近被烧毁的松树山中——据估计当时有 20,000 支香烟被点燃。甲虫在发现“火灾”的来源后可能会感到失望，而吸烟者在拍打试图咬他们脖子和手的困惑甲虫时可能会感到恼火。

它们出现在木材场和糖厂、焦油厂、水泥窑、冶炼厂的热管和其他设备上，并且有一次出现在加利福尼亚州库林加一场巨大的 1925 年油罐爆炸事件中。在最后一种情况下，火焰高达数百英尺，30 英里外都可以看到……但最近可能存在甲虫的森林在 80 英里外。

最后一个细节暗示了关于追火甲虫的惊人之处：它们可以从汽车音响难以接收 FM 收音机的距离感知火灾。

事实上，由于已知体积的燃烧油罐（在本例中为 750,000 桶）的红外辐射可以相当准确地计算出来，研究库林加油罐爆炸事件的科学家推断，甲虫可以检测到如此之低的红外辐射强度，以至于它们被埋没在周围的热噪声中。但是……如何做到？

红外辐射是热量的代表，是关于火灾的可靠信息来源，因为它以清晰的梯度向外传播，仅受湿度影响。它可以非常准确地指示与来源的距离和方向。一个高度灵敏的红外传感器可以从太空检测到地面火灾。

一只飞行的追火甲虫似乎试图向当局自首。它的第二组腿以似乎尴尬而不舒服的角度伸向天空。

但甲虫有充分的理由。它正在让腿离开它的热眼，这些热眼是充满红外传感器的凹坑，就藏在它的腿后方。

追火甲虫侧面的热眼中充满了大约 70 个红外感觉器。每个感觉器内部都有一个毛发状传感器（在上图中称为树突尖端），当感觉器因热而膨胀时，该传感器会发生物理变形，从而触发神经反应。

这种节肢动物毛发传感器非常灵敏。蜘蛛拥有称为感觉毛的版本，可以检测空气的流动——例如由蛛网或猎物的移动引起的——其灵敏度如此之高，以至于会被远高于空气分子随机运动（布朗运动）的水平所触发，或者，正如最近一篇关于油罐火灾甲虫敏感性问题的论文的作者所说，“在物理上可能的极限”。

除了包含类似超敏感的机械感受器外，追火甲虫热眼中的感觉器还以 70-90 个的阵列形式存在。由多个感觉器拾取的信号可以被连接该阵列的神经元加总和放大。因此，热眼可以检测到比单个传感器更柔和的信号。

最后，甲虫也可能由于一种（对我来说）有点诡异的现象“随机共振”而更好地检测到埋没在噪声中的信号。在这种情况下，添加的热噪声反而有助于传感器拾取信号。

低于触发传感器阈值但仍接近该阈值的信号，将与相同频率的热噪声部分随机共振。当噪声更多时，在该共振频率下会有更多信号。加在一起，噪声加信号的总和足以触发传感器，而单独的信号或噪声较少的信号则不会触发。令人难以置信的是，在存在噪声的情况下，测量比没有噪声时更精确。

尽管非常违反直觉，但随机共振已经在生物系统中反复得到证明，包括多次在人类身上得到证明。例如，当人类同时暴露于相同频率的机械振动时，他们可以检测到通常无法检测到的触觉刺激。与触摸“共振”的那部分振动会加起来触发皮肤中的机械感受器。疯狂但真实。

因此，尽管追火甲虫检测火灾的能力可能看起来是超自然的，但它可能在物理原理上运作，而这些原理也触手可及。

参考文献