果蝇如何追踪看不见的气味丝带以抵达源头

# 果蝇如何追踪气味形成的隐形丝带找到源头 来源：https://arstechnica.com/science/2026/08/how-fruit-flies-chase-invisible-ribbons-of-smell-to-get-to-their-source/ 这便是成功的气味吗？ 在湍流空气中追踪气味，需要敏锐的方向感和精准的记忆力。 一只果蝇在寻找一块腐烂的水果或伴侣时，依靠嗅觉导航，追寻着气味羽流。在野外，湍流空气将这些羽流搅成一片混乱、破碎的景观——密集的化学纤丝穿插在长长的洁净空气带之间。试图找到气味源头的果蝇只能断断续续地闻到气味，方向不断变化，而且完全无法保证下一缕气味会出现。 科学家们一直不太清楚果蝇是如何用一粒针尖大小的脑袋处理这种混乱信号的。长期以来，生物学家们支持“爆发—盘旋”模型，该模型认为昆虫是靠硬接线的反射来解决这个问题的。这个想法的核心是：当果蝇通过触角上的嗅觉神经元检测到气味羽流时，它会径直逆风飞行，直到气味消失，然后左右飞行，试图再次捕捉到它。但现在，由洛克菲勒大学神经科学家Vanessa Ruta领导的团队表明，果蝇做的事情要高级得多。 ## 果蝇的跑步机 传统的“爆发—盘旋”模型的问题在于，它很难解释昆虫如何沿着蜿蜒的气味羽流进行长距离追踪。自然环境中漂浮在空气中的化学线索往往稀疏且不可靠。但正是这些特征，使得嗅觉导航背后的机制出了名地难以测试。“气味是不可见的，”Ruta说，“而且它们经常被湍流气流裹挟。”我们无法知道动物在每一刻闻到的是什么。 因此，Ruta的团队设计了一个实验来弄清这一点。科学家们将一只果蝇（*Drosophila*）拴在完全黑暗的环境中，置于一个悬浮在气垫上的小球上方。“这是一个果蝇大小的跑步机，”Ruta解释道。当果蝇在小球表面行走时，它的转向会控制一个喷嘴，喷嘴向它的触角吹出一股稳定气流，因此昆虫始终感觉到风来自固定方向，就好像它在一片开阔的田野上行走一样。然后，研究人员将苹果醋引入这股气流中，根据果蝇在这个虚拟场地上的位置，反复开关气流。 这样一来，研究人员就能精确控制果蝇所感受到的气味的强度和方向。“我们实际上可以生成任意类型的化学景观，”Ruta说。该团队可以模拟逼真的嗅觉体验，包括湍流羽流、笔直的走廊，以及反向的梯度气味。“这其实并不是一个非常复杂的虚拟现实系统，但它实际上非常强大，”Ruta补充道。 这一次，实验者终于知道了果蝇接收到的每一个分子的性质和数量。他们测试的第一件事就是“爆发—盘旋”模型。而这个模型并不能很好地成立。 ## 边缘追踪 在实验中，一条约50毫米宽的醋味走廊顺着风向流动，果蝇并没有做那件显而易见的事——沿着走廊中间前进。相反，它们紧贴一侧边缘，通过一个重复的两步过程沿着它前进。果蝇一进入气味区域，就会立刻转身，退回干净空气中，在外部绕一圈，然后径直返回边界。该团队将其称为“边缘追踪”。 果蝇在羽流外徘徊的时间也远远多于在羽流内的时间，尽管它们向源头推进的几乎所有进展都发生在这些短暂进入气味的时刻。“果蝇会沿着羽流边缘追踪数米而从不越过，”Ruta说。 研究人员的第一个解释是，果蝇在沿着气味浓度上升的梯度向源头攀爬。但它们并没有这样做。当团队反转梯度，使果蝇前进时醋味变淡时，果蝇边缘追踪的表现依然同样出色。 该团队还使用了基因工程改造的果蝇，使光可以直接同时激活它们两根触角上的嗅觉神经元。当科学家们将真实气味替换为一束660纳米红光时，这些昆虫完美地追踪了这个光羽流的边缘。 不过，真正的惊喜出现在团队仔细观察果蝇在周围完全没有气味引导时的行为。 ## 嗅觉记忆 当研究人员在果蝇身处羽流之外时让羽流消失，昆虫仍然会返回原本边缘应该在的位置。它们并不是随机搜索，而是朝着它们知道气味应该存在的方向前进。“看起来它们储存了一段记忆，仍然在引导它们朝那个方向前进，”Ruta说。 于是，团队开始寻找这些储存的嗅觉记忆。第一个候选对象是一个叫做中央复合体的大脑结构，它就像昆虫大脑中的导航枢纽。 利用荧光成像实时观察神经元放电，Ruta和她的同事们精确定位了充当果蝇罗盘的神经元。在整个边缘追踪过程中，这个罗盘始终锁定风向，并不在意果蝇是在气味内还是气味外。当团队沉默这些神经元时，果蝇完全迷路了，漫无目的地逆风游荡，完全不知道如何回去。 不过，神经元罗盘只是谜题的一部分。要找到在风中消失的气味，果蝇必须有一个目标——一个要搜索什么的记忆。团队开始寻找那个记忆。 团队在称为扇形体的结构中的另一组神经元中定位到了嗅觉记忆，这个结构已知能编码果蝇想要去的地方。就像罗盘一样，这些神经元的活动像一个指针，但在这种情况下，它标记的是果蝇预期目的地的位置。在洁净空气中，这个指针会从罗盘方向摆开，指向羽流边缘，比果蝇实际转身返回提前了好几秒。正如罗盘神经元一样，沉默编码气味边缘位置的神经元会使果蝇无法找到它。“当它们出来以后，没有即时的感官信息引导它们回到羽流中。这时记忆就变得重要了，”Ruta说。 为了确认果蝇是否记住了羽流边缘的位置，团队测试了这些昆虫能否更新这些记忆。 ## 更新地图 为了理解果蝇大脑中可能发生的事情，团队构建了一个计算机模型，其中一只模拟果蝇在“离开模式”和“返回模式”之间切换，每次穿过边界时都会更新存储的羽流边缘位置。结果表明，最重要的数据是进入角度，即果蝇最后一次碰到羽流时的方向。没有了这个角度，模拟果蝇就无法再进行边缘追踪。 然后，研究人员回到真实果蝇身上，测试它们修正嗅觉记忆的速度。他们让果蝇追踪一条倾斜45度的羽流，然后突然将其翻转到相反方向的45度角。起初昆虫们迷失了方向，在旧方向上搜索。但仅仅一次训练——每当果蝇碰巧沿着正确的新角度行走时就给予一股醋味——就足以解决问题。果蝇立即改写了它们的内部目标，并开始追踪新的路径段。 “我们可以写入新的进入角度，”Ruta说。对她来说，这是最有力的证据之一，表明果蝇的嗅觉导航是由记忆而非反射驱动的。 但这并不一定意味着旧的“爆发—盘旋”想法就此终结。 ## 内置冗余 当团队在计算机模型中让果蝇穿过模拟的自然羽流时，进入角度记忆在靠近源头时效果最好，因为那里羽流仍保持着连贯的丝带状。在进一步的下风处，羽流碎裂成从各个方向袭来的混乱纤丝时，记忆迅速变得不可靠，并被覆盖。团队推测，那时果蝇可能会退回到更简单的反射。“动物在调整自己的策略，”Ruta说。 她表示，它们可能在世界可预测时依赖记忆，而在不可预测时放弃记忆。团队现在想研究的第一件事是，这些记忆对于活体果蝇追踪高度湍流的羽流是否有意义，还是如他们的模型所示，在情况平缓时会被其他机制取代。 “人们越来越认识到 *Drosophila* 以及这种果蝇的力量，它可以为核心计算提供洞见，将转瞬即逝的感觉信号转化为存储的空间目标，”Ruta说。由于果蝇拥有最简单且研究最深入的大脑之一，她认为这些洞见应该与动物界其余部分如何处理这一过程相关。“这是所有动物都能执行的基本特征，包括像我们这样拥有更复杂、更精密大脑的动物，”她补充道。 *Nature*, 2026. DOI:10.1038/s41586-026-10827-7 (https://doi.org/10.1038/s41586-026-10827-7) Jacek Krywko的照片 (https://arstechnica.com/author/jacek_krywko/) Jacek Krywko是一位自由科学和技术作家，报道太空探索、人工智能研究、计算机科学以及各种工程奇技。 13条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/08/how-fruit-flies-chase-invisible-ribbons-of-smell-to-get-to-their-source/#comments) 1. “最多阅读”中第一个故事的列表图片：评论：是的，我们还在争论诺兰的《奥德赛》(https://arstechnica.com/culture/2026/08/review-yes-were-still-arguing-about-nolans-the-odyssey/)