蜘蛛如何織出如此複雜且具有明顯幾何特徵的網？ | 圖源：pixabay.com

導 讀

給蜘蛛一個合適的空間，它就能織出一張網。然後，科學家把織網的過程量化了。

撰文 | 蛋炒飯

責編 | 計永勝

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在生活中我們會注意到一個有趣的現象：給蜘蛛一個合適的空間，它就可以在其中織一張網（當然，並不是所有的蜘蛛都會織網），這是蜘蛛的本能行為。但是蜘蛛的大腦很小，它們是如何織出如此複雜且具有明顯幾何特徵的網的呢？

一群科學家決定拆解一下蜘蛛織網行為的全程，看看能發現什麼。

圖1 蜘蛛的織網行為可以透過蜘蛛的軌跡與網的幾何形狀直接反映 | 圖源[1]

約翰霍普金斯大學神經科學系教授 Andrew Gordus 團隊就觀察了一種蜘蛛的織網行為，總結出織網的幾條規律，並且把這些發現發表在了《當代生物學》（Current Biology）雜誌上[1]。

他們的研究物件是一種叫做差異蟱（wú）蛛（Uloborus diversus）的蜘蛛。差異蟱蛛個體較小但很 “勤勞”，全年織網，具有很好的耐受性。為了迎合蜘蛛的習性，研究人員精心設計了尺寸適宜的暗室。並且，為避免實驗過程受到外界干擾，研究人員還在蜘蛛房門貼上了 “請勿擾蛛” 的標識（圖1）。

圖2 為記錄蜘蛛織網而專門設計的觀察裝置，以及貼有“請勿擾蛛”標語的實驗室大門 | 圖源[2]

01 破解蜘蛛織網流程圖

透過特定的攝像裝置，研究人員可以詳細記錄蜘蛛的織網行為。在對21張網的編織過程進行歸納總結後，研究者發現差異蟱蛛織網大致會經歷幾個階段：建造原型網（proto-web）→ 建造半徑框架（radii）→ 建造輔助螺旋（auxiliary spiral）→ 建造捕捉螺旋（capture spiral）→ 收尾（stabilimentum），作者將遵循該流程織出的網定義為典型網。有時，蜘蛛織網並不一定會嚴格遵循這個流程，它們會對自己的網進行 “返工”，這被定義為非典型網。（影片1）

有了織張網的想法後，差異蟱蛛會對周圍環境進行長時間探索，這期間它們會先織出一張雜亂無章的網（原型網）。當它覺得探索工作進行的差不多時，會將先前織成的大部分網吃掉，緊接著沿一箇中心向外搭建出網的半徑框架。然後蜘蛛會從內向外織出一個簡單的輔助螺旋，再從外向內織出捕捉螺旋，有時它們會在最後階段將網的中心織密一些，這樣便織好了一張網。此後，它們會停在網的中心一動不動，等待捕獲獵物。

圖3 蜘蛛織網的步驟 | 圖源[1]

這樣的織網流程，不免使人聯想到人類蓋房子的流程：蓋房前需要對土地及周圍進行測繪，給出設計圖紙，然後進行地基與房屋主框架搭建，接著砌牆，裝好門窗，最後對樓內進行裝潢。

02 織網動作有何變化？

為了在細節上對織網行為有更加深入的瞭解，研究者用人工智慧追蹤並記錄了蜘蛛在織網的不同階段每一條腿的運動規律。透過統計與模型構建的方法，研究者發現，在織網的不同階段，蜘蛛腿部的動作與行為有所差異。

在編織原型網與半徑框架時，由於蜘蛛需要在陌生的環境中作業，因此與後面的階段相比，前腿更多是進行行走與探索性的動作，而後腿主要負責從腹部拉出蜘蛛絲，這兩個階段包含較長的停頓動作。此後蜘蛛需要將輔助螺旋與捕捉螺旋錨定在半徑框架上，因此，在這些階段前腿的行走動作變少，取而代之的是抓住半徑框架，以便讓後腿更好地執行梳理蛛絲與錨定蛛絲的工作（影片2），這一階段的停頓動作非常短。

透過總結這些特徵規律，研究人員就可以透過觀察蜘蛛腿部動作大致推斷出蜘蛛正處於織網的哪個階段。

這個研究最大的亮點，在於對一個複雜的動物行為進行了比較精確的定量分析。作者稱，基於蜘蛛在不同階段表現出的不同行為，後續階段可以使用不同的神經藥物對其進行處理，以確定蛛網編織的各個階段所對應的神經迴路，從而進一步理解大腦的工作機制。

參考文獻：

[1] Corver et al., Distinct movement patterns generate stages of spider web building, Current Biology (2021), https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.09.030

[2] https://www.youtube.com/watch?v=XHS5MOg5dyc