动物的方向感由何而来？屎壳郎（dung beetles）为何能在漆黑的夜晚直线前行？且看生物学家抽茧剥丝，为你揭开屎壳郎专属GPS的奥秘。

撰文 | 郑晓晨、毛淑德 （清华大学）

编辑 | 韩越扬

屎壳郎，对于很多人来说，即使未见其虫，相信也早闻其名。它的赫赫声名，与其“自然清道夫”的接地气职业密不可分。

每一只屎壳郎都是不辞辛劳终日混迹粪堆的小天使，一旦发现新鲜出炉的粪堆，这些经验丰富的小家伙们立即一拥而上，动作娴熟地揉个球后，迅速推离哄抢的族群。推粪球回巢的过程也是艰险重重，除了要避免鸟类、猴子等动物的袭击，更要防备途中不时冒出的同类的抢夺，避免将辛苦半天的成果拱手让于它虫。因此，如何不绕圈，快速地直线前行返回家中，就显得尤为重要。

看天索骥

屎壳郎们显然深谙这一道理，因为它们总能在日复一日兢兢业业的推粪球大业中，保持令人惊叹的直线操作。我们不知道这些小虫子们是否早早地被其父辈灌输了两点之间线段最短的理论，但毫无疑问，在僧（虫）多粥（粪）少的激烈竞争环境下，存活下来的屎壳郎们往往都是直线路径的忠实践行者。方向感，之于屎壳郎，无疑是一件关乎存亡的大事。

那么，小小的屎壳郎们到底是如何辨别方向，坚定直线推粪方针不动摇的呢？

实际上，在定位导向方面，不同物种各有奇招。而且，相对于建筑地标一类的短期线索，存在了百万年的日月星辰显然更受青睐。 比如，某些季节性迁徙的鸟类、洄游的（硬骨）鱼类，甚至蜜蜂大多都是根据太阳来确定方位。而早在远古时期，人类就掌握了利用星座寻方定向的方法。如同无数人类先祖一样，屎壳郎们的定位方式也无外乎看天索骥，比如根据太阳判断方位。不过，相较于人类，昆虫们更加天赋异禀：它们眼部特有的光感受器，可以有效甄别太阳光的各类属性，提取到亮度、颜色、偏振性等隐藏信息，从而准确定位。

可是，勤奋的屎壳郎们似乎并非总是过着“日出而作，日落而息”的养生生活。例如很有代表性的夜行屎壳郎（Scarabaeus satyrus），顾名思义，就往往活跃于太阳隐没的夜晚。那它们又是如何导航的呢？

夜间导航

这个问题，也许曾在很多见识过屎壳郎夜晚劳作的人脑海中一闪而过。不过，一群来自瑞典隆德大学生物系以及威特沃特斯兰德大学动植物环境科学学院的生物学家，大概在“无所事事”之余，认真地思考了这一问题并付诸研究。他们通过行为实验结合脑活动的生理测定研究了屎壳郎的夜间导航模式，发现答案并不简单。

实验中，他们选取了两种行为属性极为相近，却活跃于不同时段的屎壳郎群体——日行屎壳郎（Scarabaeus lamarcki）和夜行屎壳郎——进行对比。结果表明，在阳光普照的白日里，无论是日行屎壳郎还是被迫白天劳作的夜行屎壳郎，它们的导航首选都是太阳。

但在月色浓郁的夜晚，被迫夜间劳作的日行屎壳郎们只能将月亮这一天体作为自己的向导[2]，而夜行屎壳郎们的主要导航依据则是月亮的偏振光。这种偏振光来源于月球对于太阳光的反射，它在天空中呈现一种固定的纹路。虽然肉眼不可见，但对于自带“偏振片”的屎壳郎们，这却不异于指南针般的加持。

无论是月亮还是月亮的偏振光，在漫漫黑夜里，月亮似乎是这些小家伙们的最后一根救命稻草。神奇的是，在无月（或月光极其黯淡）的夜晚，屎壳郎们既没有停止奔波，也没有如同无头苍蝇一般随处冲撞，它们依然能够推着自己的粪球，从容地直线前进。这其间的奥秘，就在于那条盘亘在夜空中的带状银河系。

专属GPS

与其他的导航天体不同，银河系具有独特的盘状对称结构（如图1所示），尤其当它位于至高点时，南北对称，很难分辨。然而，屎壳郎们却似乎很少犯错。

图1. 美丽的银河系（图源：参考资料 [1]，摄影： JUSTIN NG）

对于大多数物种来说，利用天体定向的基本模式无外乎两种，一种是选取某个特定方位的天体作为参照物，比如北极星；另一种是盯着天体的旋转中心推断南北，比如根据某些恒星绕北天的旋转来确定方位。后一模式是旧时水手常用的定位方式，不受地球自转的影响，安全可靠。但显然，这一模式并不适用于屎壳郎，毕竟在其推粪球回巢的短短几分钟内，银河系中的恒星们只会旋转很小的角度，小到几乎难以分辨。

为了揭开谜底，生物学家们进一步在实验室环境下，人工模拟银河系（如图2所示），来研究屎壳郎群体利用银河系定位的可能机制。

图2. 人造银河系原理图。将LED发光管置于南北侧不同海拔高度，模拟横跨南北的银河带，观察屎壳郎的方向错判率。（图源：参考文献 [4]）

实验中，他们模拟了完全无光，南北单侧光照， 南北非对称光照以及南北无差别光照等多种情形。结果发现，只有在单侧给光的情况下，屎壳郎对方向的误判率最低。也就是说，利用银河系导航的屎壳郎们，实际上参考的是银河带两翼的亮度差来区分南北。

当然，相较于自然环境，实验室中的屎壳郎们方向误判率更高。因为银河系南北两侧的光度差虽然是屎壳郎们进行方向证认的首要线索，却并非全部。这些精明的小家伙，一旦确定了光度梯度，还将综合银河系内的其它信息，精确导向。

总而言之，小甲虫屎壳郎由于先天不足（眼睛太小，分辨率不高），很难像其它物种一样，利用单颗恒星导航。即便是夜空中最亮的那一颗，也将令它迷失方向。但幸运的是，它们反而可以充分利用其他各类天体线索，开发出一套复杂却有效的导向方式：根据自身所处的环境，在太阳、月亮以及其偏振光之间自由切换导航模式，甚至还能根据银河系的南北亮度梯度，在月光寥寥的夜晚依然保持自己的方向感。

虽然相对于人类或者鸟类这些能够准确识星辨向的物种，屎壳郎的方法并没有那么高明，但以它们的脑容量和视力情况而言，却足以让人惊叹。况且， 这一亮度对比策略，在近距离导向时尤为有效。屎壳郎是目前已知的，唯一掌握该导航方式的物种（见以下电影短片）。

宇宙的奇妙之处，正在于各种生物共生共存，哪怕是小小的甲虫都能窥得天机，觅得生机。然而，随着城市化进程裹挟全球，银河带将渐渐隐没在日益严重的城市光污染下，这将对屎壳郎的优势导航带来毁灭性打击。未来的屎壳郎们将何去何从，它们能否演化出新的导航模式？这也是很多物种将要面临的严峻考验！

图3. 电影短片《屎壳郎和它的GPS》（图源：参考资料 [5]）

题外话

研究屎壳郎们的夜间导航模式，可能并没有特别重大的科学意义，却揭示了从事科研应该具备的最基本的科学思维和研究方法，最重要的是，如何进行有效的实验论证。很多科学研究，出发点往往并非是直接的经济收益或者是重大技术革新，不过好奇心使然罢了。甚至，我们常常无法预知研究结果如何。但恰恰由于这些不确定性，吸引了无数科学家前仆后继，这也正是科学研究的神秘魅力之所在！

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作者简介

郑晓晨：2010年毕业于华中师范大学，2010-2016就读于北京大学天文系攻读博士学位，现于清华大学天体物理中心工作。主要研究方向为行星形成和动力学演化。

毛淑德：清华大学天体物理中心教授，兼中科院国家天文台研究员。主要研究方向为星系动力学、系外行星搜寻、引力透镜以及暗物质研究。

参考资料

[1] https://blog.nationalgeographic.org/2013/01/24/dung-beetles-navigate-via-the-milky-way-first-known-in-animal-kingdom/

[2] http://www.pnas.org/content/early/2015/08/18/1501272112

[3] http://theconversation.com/scientists-have-worked-out-how-dung-beetles-use-the-milky-way-to-hold-their-course-75666

[4] http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/royptb/372/1717/20160079.full.pdf

[5] https://www.youtube.com/watch?v=MMlOKY734TM

文章头图及封面图片来源：参考资料 [1]