奇迹！饥饿的果蝇能连续不停地飞行15公里

2005年，一位超级马拉松运动员在80小时内连续跑了560公里(350英里)，不睡觉也不停下来。这段距离大约是跑步者身体长度的32.4万倍。然而，加州理工学院的一项新研究显示，与果蝇单次飞行的相对距离相比，这种极端的壮举相形见绌。

加州理工学院的科学家们现在发现，果蝇一次旅程可以飞行15公里(约9英里)，这是它们身体长度的600万倍，相当于人类平均飞行1万多公里。与身体长度相比，这比许多候鸟一天能飞的更远。该团队在加利福尼亚莫哈韦沙漠的一个干涸的湖床上进行了实验，释放果蝇并引诱它们进入含有发酵汁的陷阱，以确定它们的最高时速。

一篇描述这项研究的论文发表在4月20日的《pNAS》上。

这项工作的动机是一个长期存在的悖论，该悖论在20世纪40年代被狄奥多西亚斯·多布尚斯基(Theodosius Dobzhansky)和其他研究美国西南部果蝇物种的种群遗传学先驱们确认。Dobzhansky和其他人发现，相距数千公里的果蝇种群似乎在基因上更加相似，而不是用他们对这些小果蝇实际飞行距离的估计来简单解释。事实上，当生物学家在户外释放果蝇时，这些昆虫通常只是在短距离内绕圈嗡嗡叫，就像它们在我们的厨房里做的那样。

果蝇在野外觅食时会表现出不同的行为吗?在20世纪70年代和80年代，一群人口遗传学家试图解决这个悖论，他们给数十万只果蝇涂上荧光粉，然后在一个晚上在死亡谷释放它们。值得注意的是，第二天，该小组在15公里外的腐烂香蕉桶中发现了几只荧光蝇。

“这些简单的实验引出了很多问题，”Michael Dickinson教授说。“他们飞到那里花了多长时间?它们是被风吹来的吗?是意外吗?我多次读过那篇论文，觉得很有启发性。没有人试图重复这个实验，以使测量果蝇是否被风携带，它们飞行的速度有多快，以及它们能飞多远成为可能。”

为了测量果蝇是如何分散并与风相互作用的，该团队设计了“释放和重新捕获”实验。在前博士后学者Kate Leitch的带领下，该团队带着成千上万的实验室常见果蝇——黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)，几次前往位于莫哈韦沙漠的土狼湖(Coyote Lake)，这是一个距离加州理工学院140英里的干涸湖床。

他们的目的是释放果蝇，把它们引诱到固定位置的陷阱里，然后测量昆虫飞到那里需要多长时间。为了做到这一点，研究小组在一个环形中设置了10个“气味陷阱”，每个陷阱都位于释放点周围半径一公里的范围内。每个陷阱都含有一种诱人的鸡尾酒，由发酵的苹果汁和香槟酵母组成，这种混合物会产生二氧化碳和乙醇，果蝇无法抗拒。每个陷阱都有一个摄像头，并且都有单向阀，这样果蝇就可以爬进陷阱，朝鸡尾酒的方向爬，而不能爬出来。此外，研究人员还建立了一个气象站，在每次实验中测量释放点的风速和风向;这将表明果蝇的飞行是如何受到风的影响的。

为了不影响它们的飞行表现，研究小组没有在果蝇身上涂上荧光粉等标识。那么它们是怎么知道自己在捉果蝇的呢?在释放之前，研究小组首先放置了陷阱，并随着时间的推移对它们进行了检查，发现尽管在莫哈韦沙漠中发现了黑腹果蝇，它们在土狼湖是极其罕见的。

研究小组释放的果蝇最初是在一个水果摊上收集的，然后在实验室里饲养，但它们都不是转基因的。该小组在获得土地管理局的许可后进行了实验。

在实验期间，研究小组将一桶桶的果蝇赶到陷阱圈的中心。这些桶里装着大量的糖，这样昆虫就能充分精力充沛地飞行;然而，它们不含蛋白质，这让果蝇有强烈的动力去寻找富含蛋白质的食物。研究小组估计，在环的中心，果蝇无法闻到陷阱的气味，迫使它们分散并寻找。

在准确的时间，圆圈中心的一名队员同时打开桶，迅速释放果蝇。

Leitch说:“站在圆圈中心打开所有桶盖的人目睹了相当壮观的场面。这是美丽的。果蝇太多了——太多了，你被嗡嗡的嗡嗡声淹没了。它们中的一些会落在你身上，经常爬进你的嘴巴、耳朵和鼻子里。”

研究小组在不同的风条件下重复了这些实验。

第一批果蝇花了大约16分钟走了1公里到达陷阱，相当于大约每秒1米的速度。该团队将这个速度解释为一个较低的限制(也许这些第一批果蝇在释放后有点盘旋，或者没有完全直线飞行)。此前实验室的研究表明，一只喂食充足的果蝇有足够的能量连续飞行3个小时;据此推断，研究小组得出结论，黑腹果蝇一次飞行可以飞行大约12到15公里，即使是在微风中，而且在顺风的帮助下可以飞得更远。这个距离大约是果蝇平均体长(2.5毫米，或十分之一英寸)的600万倍。打个比方，这就像一个普通人在一次旅行中走了1万多公里——大约是从北极到赤道的距离。

“这些小果蝇的传播能力被大大低估了。它们可以比大多数候鸟在一次飞行中飞得更远。这些果蝇是标准的实验室模型生物，但它们几乎从未在实验室之外进行过研究，所以我们对它们的飞行能力知之甚少，”Dickinson说。

2018年，Dickinson实验室发现，果蝇以太阳为地标，直线飞行寻找食物;漫无目的的绕圈飞行可能是致命的，所以有效的导航是进化的好处。在完成这项研究中描述的释放实验后，该团队提出了一个模型，该模型表明，每只蝇都随机选择一个方向，利用太阳朝这个方向直线飞行，并小心地调节前进速度，同时允许自己被风吹向一侧。这使它能够尽可能地走远，并增加了它遇到来自食物来源的气味的可能性。该团队将他们的模型与传统的昆虫随机传播模型进行了比较，发现他们的模型可以更准确地解释沙漠释放的结果，因为果蝇在释放后倾向于保持一个恒定的方向。

尽管黑腹果蝇与人类共同进化，这项研究表明果蝇的大脑仍然包含古老的行为模块。Dickinson解释说:“对于任何动物来说，如果你发现自己身处荒郊野外，没有食物，你会怎么办?你只是到处跳，希望能找到一些水果吗?或者你会说——好吧，我会选择一个方向，然后在那个方向上尽我所能，希望一切都好。这些实验表明，果蝇就是这么做的。”

这项研究对运动生态学领域具有更广泛的意义。运动生态学研究的是世界各地的人口如何移动，从本质上讲，是将生物量转移给其他动物食用。事实上，在他们早期的释放前的实验中，为了检查当地的果蝇种群，研究小组好几次捕捉到了一种入侵的果蝇，斑点翅果蝇(Drosophila suzuki)，它给整个西海岸造成了严重的农业破坏。

Dickinson说:“我们在偏僻的地方设置了这些陷阱，而不是在有食物的中央山谷，但我们仍然发现这些农业害虫在四处游荡。看到这些引进的物种利用简单的导航策略可以走多远，有点可怕。”

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