- 飛行する昆虫は光に向かって直進するのではなく、光を背側に置こうとする姿勢制御反応のために、周囲を旋回したり、失速・反転飛行に陥ったりする
- 実験室での高解像度モーションキャプチャと屋外ステレオビデオグラフィにより、人工光周辺の昆虫の3D飛行軌跡と体の向きを再構成した
- 477本の屋外ステレオ映像と538本の実験室軌跡から、昆虫の速度ベクトルは光の方向と直交し、背軸は光の方向へ強く傾いていた
- 自然界では空が最も明るいため、dorsal-light-responseは飛行姿勢の維持に有用だが、近距離の点光源はこの信号を歪める
- 空のように拡散した照明では正常な飛行が回復し、遮蔽されていない上向き照明や地面反射を減らすことが、夜間の昆虫被害の軽減に役立つ
古い仮説と新たな観測の違い
- 夜の昆虫が光の周辺で不規則に飛ぶ理由については、古くからいくつもの説明があった
- 光を脱出口のように見て向かっていくという escape response
- 月を基準に航法していたものが人工光を誤って基準にしてしまう celestial compass の混乱
- 熱放射に引き寄せられるという説明
- 強い光で目がくらみ、飛行が乱れるという説明
- 小さな昆虫を暗い環境で3D追跡するのは難しく、各仮説を厳密に検証するための運動学データが不足していた
- 観測結果は、昆虫が人工光に「引き寄せられて」直進するというより、近距離の光が飛行姿勢の制御信号を歪めるという解釈によりよく合致する
中核メカニズム：背側を明るい方向へ向ける反応
- ほとんどの飛行昆虫は、背側を視野の中で最も明るい領域へ向ける dorsal-light-response(DLR) を示す
- 自然環境では最も明るい視野領域はおおむね空であるため、この反応は昆虫が「上」を推定し、体の飛行姿勢を維持するのに有用である
- 近距離の人工点光源は、空よりも局所的に強い明るさの信号となり、昆虫が実際の重力方向とは異なる側を「上」のように扱ってしまう
- その結果、昆虫は光の方向へ背中を傾け、体を傾けて方向転換する飛行力学により、光の周りを旋回したり、上昇中に失速したり、反転後に墜落したりする
屋外と実験室で見られた飛行パターン
- 屋外では、477本のステレオビデオ記録を用いて、人工光周辺における10目の昆虫の飛行を分析した
- 異常飛行のモチーフは3種類に分けられた
- Orbiting：光の周囲を比較的安定した円形経路で旋回し、風が弱い条件で顕著に見られる
- Stalling：光から離れる方向を向いた状態で急角度に上昇し、その後速度を失う
- Inversion：光のすぐ上を通過する際に体勢が反転し、急降下する
- 暗条件の映像ではこうしたモチーフはまれであり、人工光周辺の異常行動として分類された
- 実験室では、昆虫の胸部に体重の5%未満のマーカーフレームを取り付け、赤外線モーションキャプチャで背軸と位置を測定した
- 実験対象には Common Darter、Migrant Hawker、Yellow Underwing Moth、Lorquin’s Atlas Moth が含まれ、4種で合計538本の連続飛行軌跡を記録した
昆虫は光に向かって直進していなかった
- 点光源周辺で、4種の水平速度ベクトルは光の方向と直交する方向に強く集中していた
- これは、昆虫が光に向かって直接飛ぶという説明とは一致しない
- Common Darter は、拡散した広スペクトルの天井照明や完全な暗闇では同じ軌道飛行パターンを示さず、UV点光源条件で軌道飛行が現れた
- マーカーデータは、昆虫が飛行中に背軸を光の方向へ傾けていたことを定量的に示した
- 背軸と光方向の整列指数は S. striolatum で0.84、A. mixta で0.79、Noctua sp. で0.82、A. lorquinii で0.82だった
- 同じ指数は暗闇の S. striolatum では0.17と低かった
- 点光源の近くでは、すべての種で体の傾き分布が対照条件よりも大きな bank 角へ移動した
空のように拡散した光では正常飛行が回復する
- 白い布を床に敷き、UV光を下向きに照射する配置では、昆虫は反転したり空中で回転したりした後、床に衝突した
- 同じUV光源を上側の白い布に照射して拡散キャノピーのようにすると、昆虫は光の周辺に集まったり電球の方向へ上昇したりせず、布の下の通路をさまざまな経路で飛んだ
- 小さな昆虫の実験でも、UV拡散光が上から来る場合は速いが安定した上昇飛行が見られ、UV光が下から来る場合は Drosophila sp. を除く実験分類群が離陸直後に傾くか反転し、床に衝突した
- 定量分析でも、点光源周辺の軌跡は拡散キャノピー下よりも曲がりくねっていた
- 総経路の屈曲度の中央値は、点光源で3.21、拡散キャノピーで1.21だった
- 点光源条件では光の方向へ回る偏りがあり、拡散キャノピー条件ではこの偏りが消えた
シミュレーションと競合仮説の検証
- エージェントベースのシミュレーションでは、昆虫の体軸に対する固定加速度ベクトルと、背側を光へ傾ける制御目標を使用した
- 同じパラメータの組み合わせでも初期位置が変わると、軌道飛行、失速、反転という3つの観察モチーフが再現された
- 300件の5秒間ランダムパラメータシミュレーションでは、背側傾斜モデルは光から抜け出せない軌跡を主に生成し、背側傾斜を取り除くと光から遠ざかる分散が現れた
- 光を任意の自己中心位置に固定しようとする天体コンパス混乱モデルは、実際の昆虫で観察された一貫した直交軌跡とはあまり合わなかった
- 2つのUV点光源を交互に点灯する実験でも、昆虫は新しい光へ移って旋回する際に回転方向を容易に変えた。これは、光を体の同じ左右位置に保つ必要があるというコンパスによる説明とは合わない
例外と限界
- 実験室条件で Oleander Hawkmoth (Daphnis nerii) 3個体は、71本の記録軌跡において光指向行動を示さなかった
- D. nerii は、上向きのUVおよび白色LED電球の上を通過しても反転や軌道飛行をせず、背側傾斜指数も0.24と低かった
- 野生の Vinegar Fly (Drosophila spp.) も、UVまたは白色LED光源の上・下での飛行に明確な違いを示さなかった
- こうした例外は、この行動に波長特異性と種ごとの差があることを示している
- 長距離から昆虫が光に到達する過程は直接実験しておらず、別のメカニズムが長距離接近に関与している可能性がある
実務上の含意と公開データ
- 結果は、局所的規模の光捕獲が航法の問題ではなく、昆虫の姿勢制御の攪乱に由来するという解釈に合致する
- 夜間には空の光が人工光と競合しにくいため、明るい点光源、上向き照明、遮蔽されていない照明、地面反射が昆虫の飛行を攪乱しうる
- 不要な遮蔽されていない照明や上向き照明、地面反射を減らせば、夜間に飛行する昆虫への影響を緩和できる
- 今後、DLRの視覚構成要素がどの波長に反応するかを分析すれば、夜の昆虫を混乱させにくい人工照明への変更方法をより適切に切り分けられる
- 生のステレオ映像、処理済み軌跡、6自由度の実験室モーションキャプチャ軌跡、シミュレーションコードとデータ処理スクリプトは Figshare で公開されている: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.24771978
1件のコメント
Hacker News の意見
明かりの近くに集まる虫の群れの前で 鍵を振って みるのはかなり面白い
鍵がしばしば超音波帯域で鳴ってコウモリが使う周波数を雑にまねし、近くに狩りをしているコウモリがいる虫はたいていすぐ地面に落ちる
狩り中のコウモリの音を聞き分けていて、鍵の音がそれに十分近いため追われていると勘違いし、重力の方向へ逃げているのではないかという推測
靴下の中に鍵を何本も入れて空中に投げると、近くのコウモリがその物体に向かって急降下してつかみ、鍵が重すぎて床まで引きずり下ろされるという話
速ければそこで捕まえられるらしいが、都市伝説 かもしれないものの、実際にできそうにも思える
「妨害電波が聞こえる」といった感じで、進化によってコウモリのレーダーを妨害する電子戦的な対抗手段を発達させたという話
https://steveblank.com/2009/03/23/if-i-told-you-i%e2%80%99d-...
https://youtube.com/watch?v=OmG0OT6MWC8
夏にハエが部屋に入り、ふだんは消えている照明器具がある部屋のど真ん中をぐるぐる回り、開いた窓を見つけられなかったり出ていこうとしなかったりする妙な現象を見たことがある
部屋の照明をたまたま E27 Philips LED 電球 20個、合計 200W 超の明るい構成に替えたところ、昼間に部屋の真ん中に集まって回っていたハエが明かりをつけると数秒で散り、突然円形飛行をやめた
熱やまぶしさで逃げたようには思えず、窓方向からだけ来ていた光ではなく、より多くより拡散した光が生まれたことで、ハエの 航法能力 が回復したように見える
頭の両側の複眼で見える特徴点の動きの速さから物体との距離を判断しているが、視界がぼやけているので特徴はかなり大きいかコントラストが強くないといけない
薄暗い白い壁の部屋はハエにはほとんど特徴のない空間に見え、壁に十分近づくまで延々と円を描いて飛び続けることがある
消えた照明器具のような固定されたコントラスト物体を基準点にしていて、明かりをつけると部屋の中の以前は見えていなかった物体がよりはっきり見えるようになり、動き回ったり着地したりしやすくなるのかもしれない
屋内では窓を主要な光源として見て、それを空だと勘違いして円を描き始めることがありそう
ほかの昆虫も似た行動をする可能性がある
だから太陽のように明るく広い光源をまねれば混乱しにくくなるかもしれないし、昆虫にやさしいとされる 赤色スペクトル照明 も買える
500W E38 mogul 照明器具は聞いたことがあるが、小さいソケットが20個あるものは聞いたことがない
では、この論文は「昆虫は月を空のコンパスの手がかりとして使っていて、人工光源を誤って使ってしまう」というよくある認識を確認したものなのだろうか
そのため、昆虫が月だけを航法手段として使うよう特別に進化した可能性は低そうに見える
論文では、夜でも空は地面より全体として明るいことが基準になっており、昆虫は背側を拡散した明るい領域へ向け、腹側を地面と平行に保っているようだと述べている
論文では野外と実験室の両方で、昆虫が光に向かって直接進むことはまれで、一貫して光源と直交する方向に飛ぶとして、逃避反応という基本前提に反論している
また進行方向を保つには光源を視野の固定位置に置く必要があるが、光源位置を変える実験では、昆虫は体の左右どちら側にも光源を容易に保てるとしている
月を航法に使うとしても月へ向かって直接飛ぶわけではないはずで、人工光源へ直接飛ぶという現象がなぜその理論の根拠になったのか理解しにくい
昆虫はもともと月を片側に置いて直線的に飛んでいたが、人工照明 のせいでその基準が狂い、光源の周囲をらせん状に回るようになるのだと思っていた
研究で示された行動はまさにそれと同じに見える
論文は、昆虫が水平面で自分を整列させるために月、星、太陽、人工光源のような実際の光を使うことはあっても、それ自体が 航法 ではないことを示している
整列に傾きが生じると光の周囲を円形に飛び、その傾きは飛行メカニズム自体も非効率にするため、光源との空間関係がすぐに変化して方向の安定性が揺らぐ
熱、冷気、フェロモン、におい、視覚、音など実際の航法動機が何であれ、この空間関係の不安定さの影響を受けることになる
背側を光へ向ける という事実が興味深い
だから、YouTubeでたまたま見たガが明かりの周りを回る動画もより理解できる
[1]: https://www.youtube.com/watch?v=OhNpOsTUqzA
すばらしい研究だと思う。
7歳の子どもにこういう質問をされたことがあるが、まったく答えがわからなかった。
正しく読めているなら、昆虫は光に向かって飛ぶのではなく、体の上面を光のほうへ向けていて、自然光の下ではそれが正常な飛行姿勢と制御を保つ助けになるが、人工照明の下では光源の周囲を回り続けることになるようだ。
光のある側を上だと仮定する点で、もっともらしい。
それ以外は合っている。
Home Depot の園芸コーナーで、ナトリウム灯の周りにある巨大なクモの巣と太ったクモを見るのはいつも楽しい。
こうした効果を出すために自前で生物発光を作るのに必要なカロリーは、その方法で狩りをして得られるカロリーより多くなりそうだ。
だが、誰かが狩り用の無料エネルギーを提供してくれるなら話は別だ。
生物発光するクモは鳥やコウモリにとって格好の標的になるだろうが、ランプのそばのクモは捕食者がまだ適応していないぶん、危険が少ない。
あるいは、昔はクモの巣がどこでも巨大で採算が取れていたが、世界的に昆虫が減ったことで、今では照明の周囲でしかそこまで採算が取れなくなったのかもしれない。
進化史の大半の期間、夜にはそんな光源はなかったはずだが、背景の月を使っていたのかもしれない。
とはいえ、生物発光のように自然にあり得る形質が大きく有意な進化上の利点を与えるなら、種は必ずそちらへ進化すると考えてよいのか気になる。
だとすれば、なぜ今まで 知的存在 は私たちだけなのか、700万年前に共通祖先を共有したチンパンジーがなぜ知能を進化させなかったのかも疑問だ。
Lake of the Woods のキャンプで働いていたときは非現実的なほどで、枕をいくつか詰められるくらいクモの巣があったと確信している。
色はどうなのか気になる。
記事では「夜でも特に短波長（<450 nm）でそうだ」とあるので、やや別の問題ではある。
人には見えて、昆虫への影響を最小限にする 照明の色 がないのか、前から気になっていた。
たとえば都市で赤色照明だけを使えば役に立つだろうか？
効果があったかは覚えていないし、かなり長いこと見ていない。
https://www.lightbulbs.com/blog/how-do-bug-lights-work
ベトナムで子どものころ好きだったことを思い出した。夕方遅くに タガメ を捕まえることだった。
おそらく https://en.wikipedia.org/wiki/Lethocerus_indicus だったと思うが、違うかもしれない。
1980年代のベトナムはとても立ち遅れていて街灯も多くなく、全体的に暗かった。
私の家は新しく造られた道路のすぐそばにあり、その道は後に幹線道路になったが、明るい街灯のある数少ない道路の一つだった。
新しい街灯の明るさは子どもたちだけでなく、道の向かいの田んぼにいたタガメまで引き寄せ、ある日その虫が食べられると聞いてから、同じ区画の子どもたちと一緒に瓶に入れて家へ持ち帰るようになった。
台所のドアの外で、ガがむき出しの電球に完全に夢中になり、円を描いて飛びながら外骨格の頭をぶつけている様子を思い出す。
森では月明かりでちゃんと航行できるのに、電球の近くに来るとだめになる。
「ただ進化しようと必死なだけだ」という歌詞は、この研究にとてもよく合っているように思える。
少し読んでみたが、かなり筋が通っている。
調べてみると、昆虫は人間のように重力や速度を感知する精巧な耳や内耳を一般には持っておらず、私たちは 内耳 と全身の皮膚への圧力を通じてそうした感覚を得ているようだ。
昆虫は表面の接触や圧力は感知できるが、飛行中にはそれを使いにくいため、向きを取る別の方法が必要だというのはもっともらしい。
その役割はすでに目が果たしているのだから、わざわざ別の器官や感覚を発達させる理由はなかったのだろう。
人間が火を発見して台無しにするまでは。