一群蜜蜂产生的电场,居然能比雷暴云还强?

环球科学 2022/11/18 20:31:03 责编:远生

图片来源:Pixabay

没有雷暴,胜似雷暴。

天上飞的昆虫是带电的。

比如,当一只蜜蜂在空气中飞过,它的身体会和周围的分子或颗粒不断地发生摩擦。在这个过程中,蜜蜂身上的电子很容易剥落。电子带负电,失去一些电子的蜜蜂就带有微弱的正电荷。

这正是我们熟悉的静电。假如你还记得中学课本里讲过,用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电,都是电子从一个表面转移到另一个表面的结果。

除了飞行之外,昆虫还有其他获得静电的方式:可在凹凸不平的表面上行走,也可与另一只昆虫互相摩擦等等。科学家对此并不陌生,但一只昆虫携带的电荷量通常很小很小,多以皮库伦(10^-12 库伦)或纳库伦(10^-9 库伦)为单位,不免给人一种“难成气候”的印象。

图片来源:原论文

不过最近,来自英国布里斯托大学的研究者发现,曾经的那种印象似乎有些刻板了。研究显示,一群蜜蜂携带的电荷密度,甚至可以超过一场雷暴之中的风暴云。或许,它们真有改变天气的能力?

超越风暴云,得有多强的电场?

大约一个世纪以前,科学家就已经知道,不仅鸟类羽毛和哺乳动物的毛发能储存静电,昆虫也很擅长通过摩擦来积累电荷。

昆虫外表皮的蜡质层,会在体内和体外之间形成很大的电阻。当昆虫的身体与其他表面摩擦产生静电时,高电阻可以有效抑制电荷的流动,让电荷能够积聚起来。

而这些表面电荷,也对昆虫的日常生活有所助益。例如,为了获取营养,蜜蜂需要采集花蜜和花粉,而晴日里的花朵常常带有负电荷 —— 当一只蜜蜂在花上降落,它的正电荷就会吸引带负电的花粉。此时,花朵附近的电场会发生改变,并维持一段时间,这也是在提醒其他的蜜蜂,那朵花已经被取食过了。

要问蜂类如何能监测电场,2016 年有研究者用熊蜂做过实验。他们发现,当熊蜂飞到距离花朵 10 厘米以内的地方,它身上的毛发就会因为电场而弯曲。这种弯曲会让毛发下方的一些神经元被激活,如此熊蜂便可感知电场,与植物之间达成信号交流。

图片来源:Pixabay

不过,这样的交流场景依然显得温和而平静,似乎与“雷暴”那样的大场面相去甚远。英国布里斯托大学的科学家在一处野外观测站发现了意想不到的现象:

那时并没有风暴活动,但电场监测设备却显示,大气电荷出现了奇怪的上升。与此同时,附近有一群西方蜜蜂(Apis mellifera)正在分蜂,就是指蜂王带领一部分工蜂飞离原来的蜂群,寻找新址筑巢。

此处需要解释一下,令科学家意外的只是分蜂时猛然增加的电荷,蜂群的活动本身并非偶然。那座站点有几个用于研究的蜂箱,当蜂箱变得过于拥挤时,便容易发生分蜂事件(平均约有 12000 只蜜蜂飞离)。科学家正是要在此过程中,监测电场的变化。

分蜂时,蜜蜂们会先在树枝上聚集几日。待侦察蜂找到适宜筑巢的位置,蜂群再集体迁移过去。研究者在附近放置了一台摄影机,负责记录蜂群的迁徙,还有一台电场监测器,负责记录迁徙时的电场强度,或者说电势梯度(potential gradient)。

在 3 分钟里,蜂群中的一部分蜜蜂飞过了监测设备,其间的电势梯度(比没有蜂群迁徙时)增加了大约 100 伏 / 米。并且,电势梯度的大小与蜂群密度息息相关,电势梯度检测值越大的时候,设备周围蜂群也越密集。在距离蜂群 50 米远处设置的对照组监测器,就没有发现同样的效果。

黑色曲线为 3 分钟内的电势梯度,绿色曲线为其间经过的蜂群密度(图片来源:原论文)

在另外几次蜂群迁徙之中,科学家同样发现了电场的增强。其中最猛烈的一次,电势梯度增加了大约 1000 伏 / 米。此前,从未在蜂群之中记录过如此大的电压。

研究者还估计了蜜蜂群迁徙时的电荷密度,并将数值与过往文献中的雷暴云带电沙尘暴进行对比。结果发现,蜜蜂群每立方米携带的电荷量,甚至可以比雷暴云和带点沙尘暴高出数倍

蜜蜂群飞过时的电荷密度,与雷暴云和带点沙尘暴对比(图片来源:原论文)

科学家对这个结果十分惊讶。虽然,以他们观察到的蜜蜂迁徙规模来说,要给一大片区域造成影响可能还有点难;但研究者由此联想到了比蜜蜂分蜂更为壮观的沙漠蝗虫群行。一些蝗灾发生时,数百平方英里的土地上空,飞舞着几十亿只蝗虫,研究者利用模型估计,部分蝗灾对大气电场的影响足以达到雷暴的程度

而当电场发生显著的变化时,大气中的气溶胶和离子的密度也会发生改变,从而影响云的形成。那么,一群昆虫或许真的有机会通过电场来塑造天气,这样的“超能力”让研究者想想都兴奋。或许,他们会在未来的研究中慢慢感受到,这种改变天气的能力具体有多强大。

想用蜜蜂发电?还是用植物吧

每一米的电势差(电压)超过 1000 伏,这对大气电场来说,大概算是很可观的数字了。不过,想用蜜蜂点燃一颗 LED 灯泡的话,可能需要大约 500 亿只蜜蜂。

渲染图(图片来源:Ellard Hunting)

看来,靠蜜蜂摩擦出的那一点点电荷来发电,可能不是很有效率的方式。但你或许还记得,那些通过电场给蜜蜂传送信号的植物吧,它们本身也能携带电荷,而这些电荷也可以被收集起来。

比如,2018 年发表的一项研究提出,植物叶片十分适合作为接触起电 / 摩擦起电的工具,将机械能转化为电能。当叶子触摸或摩擦时,表面会有电荷积聚,那些电荷随后会被输送到植物的各个部位,就像在电线里流淌那样。

而同年发表的另一项研究便借鉴了这份灵感:科学家想到,既然植物体内有“电线”,那么只要把“插头”连在植物的茎部,就能收集植物产生的电能了。研究者发现,用 Ecoflex 聚合物材料接触杜鹃花(Rhododendron)的一整片叶子时,产生的电压最高可达 140 伏左右。每次触摸杜鹃花叶子 4.5 平方厘米的面积,足以同时点亮 100 个绿色 LED 小灯

想要观察植物放电的效果,让它点亮 LED 灯只是一种途径。另外,还有一种特殊的天气情形,能让植物放电以更明显的方式展现在人类眼前。有研究者观察到,当闪电划过天空的时候,一些带电植物的叶尖会出现蓝色的电火花,十分耀眼。

图片来源:Penn State

这种现象有个好听的名字,叫做电晕

原论文:

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)01513-9

参考资料:

  • https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2013.0528

  • https://www.science.org/doi/10.1126/science.1230883

  • https://www.nytimes.com/2022/10/26/science/bees-locusts-electricity-charge.html

  • https://www.newscientist.com/article/2343843-honeybee-swarms-generate-more-electricity-per-metre-than-a-storm-cloud/

  • https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201703133

  • https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806689

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue),撰文:栗子,审校:clefable

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关键词:蜜蜂科普常识

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