Vì sao côn trùng bay tụ lại quanh ánh sáng nhân tạo
(nature.com)- Côn trùng bay không lao thẳng vào nguồn sáng mà rơi vào trạng thái bay vòng quanh hoặc thất tốc/lật nhào do phản ứng kiểm soát tư thế muốn giữ ánh sáng ở phía lưng
- Tái dựng quỹ đạo bay 3D và hướng cơ thể của côn trùng quanh ánh sáng nhân tạo bằng motion capture độ phân giải cao trong phòng thí nghiệm và stereovideography ngoài trời
- Trong 477 video stereo ngoài trời và 538 quỹ đạo trong phòng thí nghiệm, vector vận tốc của côn trùng vuông góc với hướng ánh sáng, còn trục lưng nghiêng mạnh về phía nguồn sáng
- Trong tự nhiên, bầu trời là vùng sáng nhất nên dorsal-light-response hữu ích để duy trì tư thế bay, nhưng nguồn sáng điểm ở gần làm méo tín hiệu này
- Với ánh sáng khuếch tán như bầu trời, côn trùng phục hồi bay bình thường; giảm chiếu sáng hắt lên, đèn không che chắn và phản xạ từ mặt đất có thể giúp giảm tác hại cho côn trùng đêm
Khác biệt giữa giả thuyết cũ và quan sát mới
- Từ lâu đã có nhiều cách giải thích vì sao côn trùng đêm bay thất thường quanh đèn
- Xem ánh sáng như lối thoát và bay về phía đó: escape response
- Dùng Mặt Trăng để định hướng nhưng nhầm ánh sáng nhân tạo làm mốc: nhầm lẫn celestial compass
- Bị hấp dẫn bởi bức xạ nhiệt
- Bị chói mắt bởi ánh sáng mạnh nên rối loạn bay
- Do khó theo dõi côn trùng nhỏ trong môi trường tối ở dạng 3D, dữ liệu động học để kiểm chứng nghiêm ngặt từng giả thuyết còn thiếu
- Kết quả quan sát phù hợp hơn với cách giải thích rằng côn trùng không “bị hút” rồi bay thẳng vào đèn, mà ánh sáng gần làm méo tín hiệu kiểm soát tư thế bay
Cơ chế cốt lõi: xoay mặt lưng về phía sáng
- Phần lớn côn trùng bay thể hiện dorsal-light-response (DLR), tức hướng mặt lưng về vùng sáng nhất trong trường nhìn
- Trong môi trường tự nhiên, vùng sáng nhất thường là bầu trời, nên phản ứng này hữu ích để côn trùng ước lượng “phía trên” và giữ tư thế cơ thể khi bay
- Nguồn sáng điểm nhân tạo ở gần tạo ra tín hiệu sáng cục bộ mạnh hơn bầu trời, khiến côn trùng xem một hướng khác với trọng lực thực là “phía trên”
- Kết quả là côn trùng nghiêng lưng về phía đèn, và do động lực học bay đổi hướng bằng cách nghiêng thân, chúng bay vòng quanh đèn hoặc bị thất tốc khi leo cao, rồi lật nhào và rơi
Các kiểu bay quan sát ngoài trời và trong phòng thí nghiệm
- Ngoài trời, nhóm nghiên cứu phân tích chuyến bay của côn trùng thuộc 10 bộ quanh ánh sáng nhân tạo từ 477 bản ghi video stereo
- Các mô-típ bay bất thường được chia thành ba loại
- Orbiting: bay vòng quanh đèn theo quỹ đạo gần tròn tương đối ổn định, nổi bật khi gió yếu
- Stalling: leo dốc mạnh trong tư thế hướng ra xa đèn rồi mất tốc độ
- Inversion: khi bay ngay phía trên đèn thì tư thế cơ thể bị lật và lao xuống
- Trong video ở điều kiện tối, các mô-típ này hiếm gặp nên được phân loại là hành vi bất thường quanh ánh sáng nhân tạo
- Trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu gắn khung marker nặng dưới 5% trọng lượng cơ thể lên ngực côn trùng và dùng motion capture hồng ngoại để đo trục lưng cùng vị trí
- Đối tượng thí nghiệm gồm Common Darter, Migrant Hawker, Yellow Underwing Moth và Lorquin’s Atlas Moth; tổng cộng ghi lại 538 quỹ đạo bay liên tiếp ở bốn loài
Côn trùng không bay thẳng vào ánh sáng
- Quanh nguồn sáng điểm, vector vận tốc ngang của bốn loài tập trung mạnh theo hướng vuông góc với hướng ánh sáng
- Điều này không phù hợp với cách giải thích rằng côn trùng bay trực tiếp về phía đèn
- Common Darter không cho thấy cùng kiểu bay quỹ đạo khi đặt dưới đèn trần quang phổ rộng khuếch tán hoặc trong bóng tối hoàn toàn, còn điều kiện nguồn sáng điểm UV thì xuất hiện bay quỹ đạo
- Dữ liệu marker cho thấy định lượng rằng côn trùng nghiêng trục lưng về phía nguồn sáng khi bay
- Chỉ số căn chỉnh giữa trục lưng và hướng ánh sáng là S. striolatum 0.84, A. mixta 0.79, Noctua sp. 0.82, A. lorquinii 0.82
- Chỉ số tương ứng của S. striolatum trong bóng tối chỉ là 0.17
- Gần nguồn sáng điểm, phân bố độ nghiêng thân của tất cả loài đều dịch sang các góc bank lớn hơn so với điều kiện đối chứng
Dưới ánh sáng khuếch tán như bầu trời, chuyến bay bình thường được phục hồi
- Với bố trí trải vải trắng trên sàn và chiếu đèn UV xuống dưới, côn trùng bị lật hoặc nhào trong không trung rồi va xuống sàn
- Khi chiếu cùng nguồn UV vào tấm vải trắng phía trên để tạo thành tán khuếch tán như bầu trời, côn trùng không tụ quanh đèn hay bay lên phía bóng đèn mà bay theo nhiều lộ trình khác nhau trong hành lang dưới tấm vải
- Trong thí nghiệm với côn trùng nhỏ, khi ánh sáng UV khuếch tán chiếu từ trên xuống thì xuất hiện các chuyến bay leo lên nhanh nhưng ổn định; khi UV chiếu từ dưới lên, các nhóm thí nghiệm ngoài trừ Drosophila sp. đều nghiêng hoặc lật ngay sau cất cánh rồi va xuống sàn
- Phân tích định lượng cũng cho thấy quỹ đạo quanh nguồn sáng điểm ngoằn ngoèo hơn so với dưới tán khuếch tán
- Trung vị độ quanh co tổng quãng đường là 3.21 với nguồn sáng điểm và 1.21 dưới tán khuếch tán
- Ở điều kiện nguồn sáng điểm có thiên hướng quay về phía đèn, còn dưới tán khuếch tán thì thiên hướng này biến mất
Mô phỏng và kiểm chứng các giả thuyết cạnh tranh
- Mô phỏng dựa trên agent sử dụng vector gia tốc cố định theo trục cơ thể côn trùng và mục tiêu điều khiển là nghiêng mặt lưng về phía ánh sáng
- Dù dùng cùng một tổ hợp tham số, chỉ cần thay đổi vị trí ban đầu cũng tái hiện được ba mô-típ quan sát: bay quỹ đạo, thất tốc và lật nhào
- Trong 300 mô phỏng ngẫu nhiên kéo dài 5 giây, mô hình nghiêng lưng chủ yếu tạo ra các quỹ đạo không thoát khỏi vùng sáng; bỏ cơ chế nghiêng lưng thì xuất hiện sự phân tán rời xa ánh sáng
- Mô hình nhầm lẫn la bàn thiên thể cố giữ ánh sáng ở một vị trí egocentric bất kỳ không phù hợp với quỹ đạo vuông góc nhất quán được quan sát ở côn trùng thật
- Trong thí nghiệm bật luân phiên hai nguồn sáng điểm UV, côn trùng dễ dàng đổi hướng quay khi chuyển sang đèn mới; điều này không khớp với cách giải thích kiểu la bàn vốn đòi hỏi giữ ánh sáng ở cùng một vị trí trái/phải trên cơ thể
Ngoại lệ và giới hạn
- Trong điều kiện phòng thí nghiệm, 3 cá thể Oleander Hawkmoth (Daphnis nerii) không cho thấy hành vi định hướng theo ánh sáng trong 71 quỹ đạo được ghi lại
- D. nerii không bị lật hay bay quỹ đạo khi đi qua phía trên bóng đèn UV và LED trắng hướng lên; chỉ số nghiêng lưng cũng thấp ở mức 0.24
- Ruồi giấm hoang dã (Drosophila spp.) cũng không cho thấy khác biệt rõ rệt khi bay phía trên hoặc dưới nguồn sáng UV hay LED trắng
- Những ngoại lệ này cho thấy hành vi này có tính đặc hiệu theo bước sóng và có khác biệt giữa các loài
- Nghiên cứu không trực tiếp thí nghiệm quá trình côn trùng tiếp cận nguồn sáng từ khoảng cách xa; các cơ chế khác có thể tham gia vào giai đoạn tiếp cận đường dài
Hàm ý thực tiễn và dữ liệu công khai
- Kết quả phù hợp với cách diễn giải rằng việc ánh sáng giữ côn trùng lại ở quy mô cục bộ không phải là vấn đề định hướng mà bắt nguồn từ nhiễu loạn kiểm soát tư thế của côn trùng
- Ban đêm, ánh sáng bầu trời khó cạnh tranh với ánh sáng nhân tạo, nên nguồn sáng điểm mạnh, chiếu sáng hắt lên, đèn không che chắn và phản xạ mặt đất có thể làm rối loạn chuyến bay của côn trùng
- Giảm chiếu sáng không cần thiết không che chắn, chiếu sáng hắt lên và phản xạ từ mặt đất có thể giúp giảm tác động lên côn trùng bay về đêm
- Trong tương lai, nếu phân tích được các thành phần thị giác của DLR phản ứng với những bước sóng nào, có thể tách bạch rõ hơn các cách thay đổi chiếu sáng nhân tạo để ít gây nhầm lẫn cho côn trùng đêm
- Video stereo thô, quỹ đạo đã xử lý, quỹ đạo motion capture 6 bậc tự do trong phòng thí nghiệm, mã mô phỏng và script xử lý dữ liệu được công khai trên Figshare: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24771978
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Khá thú vị nếu thử lắc chùm chìa khóa trước một đàn côn trùng gần ánh đèn
Chìa khóa thường ngân ở dải siêu âm, bắt chước một cách vụng về các tần số mà dơi dùng, và những con côn trùng ở gần nơi có dơi đang săn thường rơi ngay xuống đất
Suy đoán là chúng nhận ra âm thanh của dơi đang săn mồi, tiếng chìa khóa đủ giống nên chúng tưởng mình đang bị truy đuổi rồi tránh theo hướng trọng lực
Chuyện kể rằng nếu cho nhiều chìa khóa vào trong một chiếc tất rồi ném lên không trung, một con dơi gần đó sẽ lao bổ xuống về phía vật thể và chụp lấy, rồi vì chùm chìa khóa quá nặng nên bị kéo xuống đất
Nếu nhanh tay thì có thể bắt được nó ở đó; có thể chỉ là truyền thuyết đô thị, nhưng nghe cũng có vẻ khả thi
Đại loại như “nghe thấy tín hiệu gây nhiễu”, tức là chúng đã tiến hóa các biện pháp đối phó kiểu tác chiến điện tử để gây nhiễu radar của dơi
https://steveblank.com/2009/03/23/if-i-told-you-i%e2%80%99d-...
https://youtube.com/watch?v=OmG0OT6MWC8
Vào mùa hè, tôi từng thấy hiện tượng kỳ lạ là ruồi bay vào phòng, thường bay vòng vòng ở giữa nơi có bộ đèn đã tắt, rồi không tìm thấy cửa sổ đang mở hoặc không chịu bay ra
Tình cờ tôi đổi đèn trong phòng sang cấu hình rất sáng gồm 20 bóng LED Philips E27, tổng hơn 200W, và khi bật đèn, những con ruồi đang tụ lại bay vòng ở giữa phòng ban ngày tản ra chỉ trong vài giây, đột ngột ngừng bay theo vòng tròn
Có vẻ chúng không bỏ chạy vì nóng hay chói, mà vì thay vì ánh sáng chỉ đến từ hướng cửa sổ, giờ có nhiều ánh sáng hơn và phân tán hơn, nên khả năng định hướng của ruồi như được khôi phục
Chúng phán đoán khoảng cách tới vật thể bằng tốc độ chuyển động của các điểm đặc trưng nhìn thấy qua mắt kép ở hai bên đầu, nhưng vì thị giác mờ nên các đặc trưng phải khá lớn hoặc có độ tương phản mạnh
Một căn phòng tường trắng lờ mờ có thể trông gần như không có đặc trưng gì đối với ruồi, và chúng có thể cứ bay vòng cho đến khi đủ gần tường
Có vẻ chúng lấy một vật có độ tương phản cố định như bộ đèn đã tắt làm mốc, rồi khi bật đèn, các vật thể trước đó không thấy trong phòng hiện ra tương phản hơn, khiến chúng dễ bay đi hoặc hạ cánh hơn
Trong nhà, chúng có thể xem cửa sổ là nguồn sáng chính, nhầm đó là bầu trời và bắt đầu bay vòng
Các loài côn trùng khác cũng có thể có hành vi tương tự
Vì vậy nếu mô phỏng một nguồn sáng sáng và rộng như mặt trời thì chúng có thể ít nhầm hơn, và cũng có thể mua đèn phổ đỏ được nói là thân thiện với côn trùng
Tôi từng nghe đến bộ đèn E38 mogul 500W, nhưng chưa nghe loại 20 đui nhỏ
Vậy tôi thắc mắc liệu bài báo có xác nhận nhận thức phổ biến rằng “côn trùng dùng mặt trăng làm tín hiệu la bàn trên trời rồi dùng nhầm nguồn sáng nhân tạo” hay không
Vì vậy có vẻ khó có khả năng côn trùng đã tiến hóa đặc biệt để chỉ dùng mặt trăng làm phương tiện định hướng
Bài báo nói rằng điểm chuẩn là ngay cả ban đêm, bầu trời nhìn chung vẫn sáng hơn mặt đất, và côn trùng dường như hướng mặt lưng về vùng sáng khuếch tán, đồng thời giữ mặt bụng song song với mặt đất
Trong bài báo, cả ngoài trời lẫn trong phòng thí nghiệm, côn trùng hiếm khi bay thẳng về phía ánh sáng, mà nhất quán bay theo hướng vuông góc với nguồn sáng, qua đó bác bỏ tiền đề cơ bản rằng đó là phản ứng thoát thân
Ngoài ra, để duy trì hướng di chuyển thì chúng phải giữ nguồn sáng ở một vị trí cố định trong tầm nhìn, nhưng trong thí nghiệm thay đổi vị trí nguồn sáng, côn trùng được nói là dễ dàng giữ nguồn sáng ở bất kỳ phía nào của cơ thể
Dù có dùng mặt trăng để định hướng thì chúng cũng sẽ không bay thẳng về phía mặt trăng; nên tôi khó hiểu vì sao hiện tượng bay thẳng về phía nguồn sáng nhân tạo lại trở thành căn cứ cho lý thuyết đó
Tôi vẫn nghĩ rằng ban đầu côn trùng bay thẳng bằng cách giữ mặt trăng ở một bên, nhưng vì ánh sáng nhân tạo làm lệch mốc đó nên chúng bay xoắn ốc quanh nguồn sáng
Hành vi được nghiên cứu cho thấy có vẻ đúng như vậy
Bài báo cho thấy côn trùng dùng ánh sáng thực như mặt trăng, sao, mặt trời và nguồn sáng nhân tạo để tự căn chỉnh trên mặt phẳng ngang, nhưng bản thân việc đó không phải là định hướng
Khi sự căn chỉnh bị nghiêng lệch, chúng bay vòng quanh ánh sáng; sự nghiêng lệch đó cũng làm chính cơ chế bay kém hiệu quả, khiến quan hệ không gian với nguồn sáng thay đổi nhanh và làm độ ổn định hướng bị dao động
Dù động cơ định hướng thực sự là nhiệt, lạnh, pheromone, mùi, thị giác, âm thanh hay gì khác, nó đều chịu ảnh hưởng của sự bất ổn trong quan hệ không gian này
Việc hướng mặt lưng về phía ánh sáng thật thú vị
Nhờ vậy tôi cũng hiểu hơn video bướm đêm bay quanh đèn mà tôi tình cờ xem trên YouTube
[1]: https://www.youtube.com/watch?v=OhNpOsTUqzA
Nghiên cứu rất hay
Tôi từng được một đứa trẻ 7 tuổi hỏi câu này mà hoàn toàn không biết trả lời
Nếu tôi đọc đúng thì côn trùng không bay về phía ánh sáng, mà xoay mặt trên của cơ thể về phía ánh sáng; dưới ánh sáng tự nhiên, việc này giúp chúng duy trì tư thế bay và khả năng điều khiển bình thường, nhưng dưới ánh sáng nhân tạo thì có vẻ khiến chúng cứ bay vòng quanh nguồn sáng
Nghe hợp lý vì chúng giả định phía có ánh sáng là phía trên
Ngoài điểm đó ra thì đúng
Lúc nào cũng thú vị khi nhìn thấy những mạng nhện khổng lồ và những con nhện béo ú quanh đèn natri ở khu vườn của Home Depot
Có vẻ lượng calo cần để tự tạo phát quang sinh học nhằm đạt hiệu ứng này sẽ lớn hơn lượng calo có thể kiếm được bằng cách săn mồi theo kiểu đó
Nhưng nếu có ai đó cung cấp năng lượng miễn phí cho việc săn mồi thì lại là chuyện khác
Nhện phát quang sinh học sẽ trở thành mục tiêu dễ dàng cho chim hoặc dơi, nhưng nhện cạnh đèn thì ít nguy hiểm hơn vì kẻ săn mồi chưa kịp thích nghi
Hoặc trước đây mạng nhện ở đâu cũng từng khổng lồ và sinh lợi, nhưng khi côn trùng suy giảm trên toàn cầu, giờ chỉ quanh đèn mới còn sinh lợi như vậy
Trong phần lớn lịch sử tiến hóa hẳn là ban đêm không có những nguồn sáng như thế, có thể chúng đã dùng mặt trăng ở nền trời
Nhưng nếu một đặc tính tự nhiên khả dĩ như phát quang sinh học đem lại lợi thế tiến hóa lớn và đáng kể, tôi tự hỏi liệu có thể cho rằng loài đó chắc chắn sẽ tiến hóa theo hướng ấy không
Nếu vậy thì cũng đáng hỏi vì sao cho đến nay chúng ta là sinh vật có trí tuệ duy nhất, và vì sao tinh tinh, loài có chung tổ tiên với chúng ta 7 triệu năm trước, lại không tiến hóa trí thông minh
Khi làm việc tại một trại ở Lake-of-the-Woods, cảnh đó phi thực tế đến mức tôi chắc có thể nhét đầy vài cái gối bằng số mạng nhện ấy
Tôi tò mò không biết màu sắc thì thế nào
Bài viết nói “ngay cả ban đêm, đặc biệt ở bước sóng ngắn (<450 nm)”, nên đây cũng hơi là vấn đề riêng
Tôi vẫn luôn tự hỏi liệu có màu ánh sáng nào con người nhìn được mà lại giảm thiểu tác động lên côn trùng không
Ví dụ, nếu thành phố chỉ dùng đèn đỏ thì có giúp ích không?
Tôi không nhớ nó có hiệu quả không, và cũng khá lâu rồi chưa thấy lại
https://www.lightbulbs.com/blog/how-do-bug-lights-work
Tôi nhớ lại một hoạt động yêu thích thời thơ ấu ở Việt Nam: bắt cà cuống vào chiều muộn
Có lẽ là https://en.wikipedia.org/wiki/Lethocerus_indicus, nhưng cũng có thể tôi nhầm
Việt Nam thập niên 1980 còn rất lạc hậu, không có nhiều đèn đường và nhìn chung khá tối
Nhà tôi nằm ngay cạnh một con đường mới xây, về sau trở thành quốc lộ, và đó là một trong số ít con đường có đèn đường sáng
Độ sáng của các đèn đường mới không chỉ thu hút trẻ con mà còn kéo cả cà cuống từ ruộng lúa bên kia đường sang; rồi một ngày nọ, sau khi nghe nói loài côn trùng đó ăn được, tôi và lũ trẻ cùng khu bắt đầu bỏ chúng vào chai mang về nhà
Tôi nhớ đến những con bướm đêm ngoài cửa bếp, hoàn toàn mê mẩn bóng đèn trần trụi, bay vòng vòng rồi đập cái đầu có bộ xương ngoài vào đó
Trong rừng chúng định hướng ổn bằng ánh trăng, nhưng hễ đến gần bóng đèn là hỏng
Câu hát rằng chúng chỉ đang cố tiến hóa có vẻ rất hợp với nghiên cứu này
Đọc qua một chút thì thấy khá hợp lý
Tìm hiểu thì thấy côn trùng nói chung không có đôi tai hay tai trong tinh vi để cảm nhận trọng lực và tốc độ như con người; có vẻ chúng ta có những cảm giác đó nhờ tai trong và áp lực trên da khắp cơ thể
Côn trùng có thể cảm nhận tiếp xúc và áp lực trên bề mặt, nhưng khi đang bay thì khó dùng những thứ đó, nên việc chúng cần một cách khác để định hướng nghe có vẻ hợp lý
Mắt đã đảm nhiệm việc đó rồi thì không có lý do gì phải phát triển thêm một cơ quan hay giác quan khác
Cho đến khi con người phát hiện ra lửa và làm mọi thứ rối tung lên