屎殼郎為什麼在漆黑的夜裡也能走直線？
― 這隻小蟲，是靠銀河來判斷方向的
在夜晚的非洲草原上，屎殼郎一邊推著糞球，一邊毫不猶豫地筆直遠離。只要在牠眼睛上方蓋一頂小帽子，牠立刻就迷路了。這隻蟲看的不是地面，而是天空。而且看的不是月亮，是銀河。
假設在漆黑的夜裡，你被蒙上眼睛，站在一片空曠的原野上。就算有人說「請直直往前走100步」，多數人還是會走出一個大彎。
然而在南非夜晚的草原上，一隻只有拇指指尖大小的蟲，卻能辦到這件事。牠從動物的糞堆上切下一顆糞球，以倒立的姿勢往後推，筆直地遠離原地。
不看前方，沒有地圖，甚至連月亮都沒有出來的夜裡。這隻蟲究竟靠什麼來維持「筆直」呢？
理由只有兩個
糞堆周圍擠滿了想搶糞球的同類。用同樣的步數離得最遠的路線，就是一直線。
一般認為，屎殼郎的眼睛難以分辨一顆顆的星星。但實驗顯示，牠們改以銀河光帶的方向作為線索。
首先來看「為什麼不走直線會很麻煩」，接著再談在漆黑夜裡讓這件事成為可能的天空目標。
一旦走彎路，就永遠離不開糞堆
糞堆對屎殼郎來說，是食物和育兒材料的聚寶盆。正因如此競爭也激烈，好不容易滾好的糞球，常常會被其他蟲搶走。所以一旦做好糞球，就想盡快離開現場。
這時候「方向」就產生了很大的影響。如果每推一次方向就隨機改變，大部分前進的距離都會互相抵消。試著移動圖1的拉桿看看。增加推動的次數，筆直前進的箭頭會不斷變長。另一方面，方向隨機時能到達的距離（虛線圓圈）卻很難擴大。
推49次的話，走直線可以到達約5公尺遠的地方。若方向隨機，平均連1公尺都離不開。這個差距會隨著次數增加而越拉越大。對想保護糞球的屎殼郎來說，「走直線」是攸關生存的絕招。
沒有月亮的夜裡，目標是銀河
白天的屎殼郎，是以太陽的位置為目標。2003年的研究曾指出，夜晚牠們會利用月亮，或是月光在空氣中散射後形成的「光振動方向的一致性」（偏振光）。
令人不解的是沒有月亮的夜晚。即便如此，部分屎殼郎依然能走直線。瑞典與南非的研究團隊，在此做了一個大膽的實驗。他們把蟲帶到南非的天文館，改變投影的天空來比較牠們滾糞球的方式。
結果如圖2所示。投影滿天星斗時，牠們走直線。只投影銀河光帶時，也一樣直。但是，只投影明亮的星星、消去銀河時，牠們就開始迷路了。在戶外，若在眼睛上方蓋上小帽子遮住天空，行進路線就會大幅彎曲。
這裡重要的是，屎殼郎並不是記住「哪一顆星」。牠們也不是在尋找目的地。去哪裡都無所謂，目的只是「維持剛剛決定的方向」。為此，只要天空某處稍微明亮一點就足夠了。銀河正是最適合扮演這個角色的巨大目標。
屎殼郎在開始滾動之前，會爬上糞球轉一圈。一般認為牠們是在環視天空，決定前進方向。途中若撞上障礙物而方向偏了，牠們也會再爬上糞球重新定向。
人類水手是記住像北極星這樣不動的一顆星，來得知目的地的方位。屎殼郎不記星座，只利用整條光帶的明暗方向。銀河在夜間會緩緩移動，但如果幾分鐘內就能滾完，這點移動幾乎不成問題。
總結
屎殼郎為了不被搶走糞球，會從糞堆一直線地離開。因為一旦走彎路，就算多推好幾倍也到不了遠處。支撐牠們在無月之夜維持「直線」的，是橫過天空的那條淡淡的銀河光帶。即使是無法分辨一顆顆星星的小眼睛，也能讀出光帶明暗的方向。
我們抬頭仰望、覺得美麗的銀河，
這隻蟲每晚都把它當成指南針在使用。
北極星自古以來作為人類路標的原因，請見「北極星是最亮的星星嗎？」；秋夜銀河不顯眼的原因，請見「秋天的夜空為什麼亮星很少？」。
- 在空曠安全的地方（草坪公園或操場），面向一個筆直的目標站好。先在腳邊做個記號。
- 閉上眼睛，朝目標緩慢直走30步。務必請人在旁邊看著你。
- 睜開眼睛，看看偏離目標多少。接著睜著眼走路、只盯著遠方一點，比較偏移的程度。
光是有個目標，走直線就會輕鬆許多，親身體會一下吧。在晴朗的暗夜，找個光害少的地方尋找銀河，也能實際感受屎殼郎所看到的那條「光帶」有多大。
想知道更多 ― 術語、算式與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目，皆明確標示各段落的程度
- 國中國中理化課範圍
- 高中高中「物理」「生物」課範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不教、屬於大學專業科目（機率論・感覺生理學）的內容
- 研究連大學都還不當作「定論」來教、目前研究者正在探究中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 銀河：是從內部看見、包含我們太陽系在內的巨大恆星集團的樣貌。無數遙遠恆星的光重疊在一起，看起來就像橫過天空的一條淡淡光帶。
- 偏振光：光的振動方向一致的狀態。太陽或月亮的光在空氣中散射時，依天空的位置不同，振動方向會變得一致，這種花紋可作為方向的線索。
- 隨機漫步：每走一步方向就隨機改變的走法。相對於步數，很難離開出發點。
國中高中用算式確認：走直線和隨機漫步，差距有多大？
設推一次糞球前進的長度為 ℓ，推的次數為 N。如果每次方向都相同，前進的長度就是單純相加。如果每次方向隨機，平均能離開多遠可以用下面的式子估算。這裡為了方便計算，假設每次前進10cm（實際數值會依蟲的大小和地面而異）。
| 用符號表示 | 走直線：D ＝ ℓ × N ／ 隨機：D ≒ ℓ × √N |
| 用文字表示 | 距糞堆的距離 ＝ 每次前進長度 × 次數。若方向隨機，距離 ≒ 每次前進長度 × 次數的平方根 |
| 式子的由來 | 方向隨機的每一步，平均下來會互相抵消。不被抵消、留下來的是「距離平方」的總和，這會與次數成比例，變成 ℓ² × N。取其平方根，就是平均距離 |
符號意義：D 是距糞堆的距離（cm），ℓ 是每次前進的長度（cm），N 是推的次數。以 cm 為單位計算。
| 每次前進的長度 ℓ（假設） | 10 cm |
| 推的次數 N | 100 次 |
| 100 的平方根 | 10 |
| 走直線推時的距離 | 10 × 100 ＝ 1000 cm（10 m） |
| 方向隨機時的距離 | 10 × 10 ＝ 100 cm（1 m） |
| 相差幾倍 | 1000 ÷ 100 ＝ 10 倍 |
| 方向隨機時要離開10m所需的次數（N ＝ 次數的平方） | 100 × 100 ＝ 10000 次 |
同樣100次，走直線能到達10倍遠的地方。若方向隨機要離開同樣的10m，得花上100倍的功夫。這個差距會隨次數增加而越拉越大。不迷路，本身就是強大的武器。
高中高中＋維持方向的「天空目標」
高中若把移動視為向量的和，方向相同的箭頭長度會直接相加。方向不一的箭頭則會互相抵消。圖1箭頭與圓圈的差異，正是這種向量合成差異的展現。就動物行為而言，以太陽等為基準、維持一定角度前進的「太陽羅盤」，在蜜蜂和候鳥身上也已廣為人知。
高中＋太陽或月亮的光，在空氣分子中散射時會發生偏振。天空各方向偏振的方向，取決於太陽或月亮的位置。昆蟲複眼上緣據信存在感知偏振光的部位（背緣區），屎殼郎也會把月光的偏振作為目標。
大學隨機漫步與昆蟲的天空羅盤
方向隨機的移動，在機率論中稱為隨機漫步。「距出發點距離平方的平均值（均方位移）與步數成比例」這項性質，與液體中分子的擴散形式相同。另一方面，屎殼郎維持方向的方式，並非朝向目的地的「導航」，而是歸類為只維持所定方向的直線定向（menotaxis）。一般認為，夜行性物種為了在微弱光線下也能保持靈敏度，眼睛構造會集中更多光線。
📖 算式推導與更深入的內容：隨機漫步（日文維基百科） ／ 偏振光（日文維基百科）
研究目前尚未完全釐清的事
- 究竟在觀察天空的哪些細節。 是銀河光帶的方向，還是天空左右的亮度差異？牠們如何組合、使用哪些線索，目前實驗仍在持續進行。
- 其他夜行性動物是否也會利用。 已確認會以銀河作為方向線索的動物，目前還非常有限。夜間遷徙的鳥類或蛾類如何利用星空，也正在研究當中。
- 城市燈光的影響。 在明亮的夜空下，銀河會變得難以看見。也有人指出，人造光可能會擾亂夜行性昆蟲判斷方向的能力。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。小小的腦袋究竟是如何讀取天空的，至今仍在解開的過程中。
與教科書的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「地球與宇宙」「動物的身體構造」 | 銀河的真面目、昆蟲的眼睛 |
| 高中 | 物理「向量合成」、生物「動物行為」 | 圖1的箭頭與圓圈、太陽羅盤 |
| 高中＋ | 物理「光的偏振」 | 月光的偏振 |
| 大學 | 機率論、感覺生理學・行為學 | 隨機漫步、直線定向 |
| 研究 | 動物導航研究 | 天空線索的組合、光害 |
| ― | 與生活的關聯 | 沒有目標人也無法走直線、夜空的明亮程度 |
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為幫助理解原理的參考估算值。圖1的距離，是假設每次前進10cm所做的示意性計算。