蒼蠅為什麼一拍就飛走?
― 在蒼蠅眼中,你的手是慢動作
蒼蠅動作快,靠的不只是翅膀。牠的眼睛把「時間」切得比人細得多。人眼只看到1格的時間,蒼蠅的眼睛大約能看到4格。所以你使盡全力揮下的手,在蒼蠅看來是慢慢逼近的。
廚房的桌上停著一隻蒼蠅。你捲起一份報紙,悄悄舉起來。
你屏住呼吸,一口氣揮下。可是報紙拍在桌上的那一刻,蒼蠅已經在天花板附近飛了。
你明明用盡全力,又是趁牠不注意出手的。蒼蠅到底是什麼時候發現的呢?
牠能逃走,只有兩個原因
據說蒼蠅的眼睛每秒能分辨約250次畫面變化,人大約是60次。同樣的動作,蒼蠅看到的格數大約是人的4倍。
蒼蠅會看手靠近的方向,調整腿的姿勢,擺出能朝危險反方向跳開的架勢,然後才起飛。
也就是說,蒼蠅不只是「逃得快」,而是「發現得早,還能朝對的方向逃」。我們一個一個來看。
眼睛也有「每秒幾格」的極限
電影和動畫,是每秒連續播放約24張靜止的畫面。即使如此,人看起來還是流暢的動作。這是因為人的眼睛和大腦分辨不出比這更細的時間變化。
這個極限可以用燈光閃爍來測量。把光快速開開關關,超過某個速度後,看起來就像一直亮著。人在明亮的地方,大約是每秒60次左右。
用蒼蠅做同樣的實驗,據說牠能分辨到每秒250次左右的閃爍(會因種類和亮度而不同)。請看圖1。這張圖把手揮下的這段時間裡,人眼和蒼蠅眼各自接收到的「格數」並排比較。
對人眼來說,這只是一瞬間的事。但在蒼蠅眼中,手一點一點靠近的過程,被分成了幾十格傳進來。換成人的感覺,就像1秒鐘的事被拉長成約4秒。
為什麼蒼蠅的眼睛這麼快呢?蒼蠅身體小,飛行又敏捷。如果飛的時候眼睛跟不上景物流過的速度,就會撞上牆壁。飛得越快的生物,越需要快的眼睛。
蒼蠅先決定逃跑方向,才起飛
只有眼睛快還不夠,因為從發現到起飛也需要時間。
美國的研究者讓果蠅(一種小型蒼蠅)看黑色圓形逼近的影片,並用高速攝影機拍下來。結果發現,果蠅會依圓形靠近的方向,改變腿的位置和身體的傾斜。圓形從前方來,就擺出往後跳的架勢;從側面來,就擺出往另一側跳的架勢。
據報告,從這個準備動作到起飛,大約只要0.2秒。蒼蠅感受到的,與其說是手的「大小」,不如說是手在眼中的影像「膨脹的速度」。影像突然脹大的東西,就會被判斷成正朝自己撞來。
以前的日光燈,會配合電流,每秒讓亮度起伏100次或120次。人看起來是一直亮著的。但如果眼睛能分辨到250次,就看得出這種起伏了。對蒼蠅來說,人的房間也許一直是閃爍的。
蒼蠅多半會朝逼近的手的反方向跳開。從上方揮下的話,牠會往斜前方或後方逃。因此研究者之間流傳一種說法:「不要瞄準蒼蠅所在的地方,要瞄準牠跳去的地方。」另外,慢慢靠近的手,影像膨脹的速度小,據說比較不容易被發現。
總結
蒼蠅能躲開手,是因為牠的眼睛把1秒切得比人細約4倍。而且牠還會判斷手逼近的方向,擺好逃跑的架勢,約0.2秒就起飛。全力揮下的手,在蒼蠅眼中,只是一個慢慢逼近的大影子。
比翅膀更先快起來的,是眼睛。
蒼蠅把你的1秒,看成了4秒。
在黑暗中,眼睛能數到幾顆光粒子,請看「人眼要看到幾顆光粒子,才知道自己看見了?」。眼睛適應亮度需要多久,請看「從明亮處走進暗房,為什麼會有一陣子什麼都看不見?」。昆蟲為什麼會聚集在夜晚的燈光旁,請看這篇文章。
- 在手機或電腦的白色畫面前,張開手指快速左右揮動。如果手指看起來分成好幾根,就表示螢幕的閃爍被眼睛捕捉到了。
- 接著在窗邊的日光下,同樣揮動手。這次手指只會變模糊,應該不容易分成好幾根。因為日光不會閃爍。
- 看到蒼蠅時,比較從遠處慢慢伸手靠近,和快速伸手靠近,牠飛起來時的距離有什麼不同(不要碰蒼蠅,只做觀察)。
1和2的差別,在於看不看得到螢幕燈光的閃爍。由此可知,人眼分辨時間的細緻度也有極限。
想知道更多的人 ― 用語、算式、與課本的連結明確標示這是從國中自然到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中自然課學到的範圍
- 高中高中「生物」「物理」學到的範圍
- 高中+高中的進階內容,或課本專欄的內容
- 大學高中沒學過、大學專業課程(感覺生理學、神經行為學)的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究者正在探究的話題
國中用語:這個現象有名字
- 複眼:由許多小眼(個眼)聚集而成的昆蟲眼睛。據說家蠅的一隻眼睛有數千個小眼。
- 閃爍融合頻率(臨界融合頻率):閃爍的光開始看起來不是閃爍,而是「一直亮著」時,每秒的閃爍次數。這是衡量眼睛能把時間分辨得多細的指標。
- 逼近刺激(looming stimulus):在眼中影像急速變大的東西。許多動物會把它當作有物體撞來的信號,做出逃跑反應。
國中高中用算式確認:手到達之前,蒼蠅看到幾格
計算手從50cm外揮下時,人眼和蒼蠅眼各接收到幾格。手的速度假設為每秒2m。
| 用符號寫 | N = f × t 、 t = d ÷ v |
| 用文字寫 | 看到的格數 = 每秒能分辨的次數 × 手到達的時間。時間 = 距離 ÷ 手的速度 |
| 這個式子從哪來 | 來自「每秒的次數 × 秒數 = 總次數」的算法,以及「距離 = 速度 × 時間」的關係 |
| N | 手到達前眼睛接收到的格數(無單位) |
| f | 閃爍融合頻率(次/秒) |
| t | 手到達的時間(秒) |
| d、v | 手移動的距離(m)和手的速度(m/秒) |
| 人的閃爍融合頻率(明亮處) | 據說約 60 次/秒 |
| 蒼蠅的閃爍融合頻率 | 據說約 250 次/秒 |
| 手移動的距離(假設) | 0.5 m |
| 手的速度(假設) | 每秒 2 m |
| 蒼蠅從擺好架勢到起飛 | 據報告約 0.2 秒 |
| 手到達的時間 | 0.5 ÷ 2 = 0.25 秒 |
| 人眼接收到的格數 | 60 × 0.25 = 15 格 |
| 蒼蠅的眼睛接收到的格數 | 250 × 0.25 = 62.5 格 |
| 蒼蠅看到的格數是人的幾倍 | 250 ÷ 60 ≒ 4.2 倍 |
| 扣掉起飛所需時間後剩下的餘裕 | 0.25 − 0.2 = 0.05 秒 |
對人眼來說,15格就結束的事,蒼蠅的眼睛卻分成60多格接收。1秒鐘的事,大約被拉長成4秒。而且起飛後還留有0.05秒的餘裕。不過,如果手是從約10cm的近處揮下,時間會縮短到0.05秒,蒼蠅就來不及擺好架勢了。
高中高中+快速的眼睛要付出高能量
高中接收光的細胞(視覺細胞)受到光照射時,會發出電信號。人眼的桿狀細胞和錐狀細胞,這個反應中間夾著好幾段化學反應,所以信號要花一段時間才會發出。
高中+蒼蠅的視覺細胞,是由數萬根像細毛般的突起(微絨毛)聚集而成。每一根突起都能迅速對光粒子起反應,並且馬上結束反應。結果是能追上快速的變化,卻也要消耗大量能量。有估算指出,蒼蠅的視網膜消耗的能量,接近靜止時全身能量的一成。
大學從影像的膨脹讀出「撞上前的時間」
設逼近物體的視覺大小(視角)為 θ,把 θ 除以「θ 變大的速度」,得到的值大致等於距離相撞的剩餘時間。這個量稱為「tau(τ)」,由心理學家李(Lee)於1976年提出。蒼蠅的腦中有對影像膨脹反應強烈的神經,信號會通過稱為巨大纖維系統(giant fiber system)的粗神經,迅速傳到負責跳躍的腿部肌肉。把各種動物的閃爍融合頻率與體型、代謝做比較的研究報告指出,體型越小、代謝越高的動物,越傾向把時間分辨得更細。
📖 算式的推導與更進階的內容:閃爍融合頻率的解說(英文版維基百科) / 複眼與單眼(維基百科)
研究還不太清楚的事
- 蒼蠅真的感受到「慢動作」嗎? 眼睛能分辨得多細是可以測量的。但蒼蠅怎麼體驗時間的流動,從外面是無法確認的。
- 牠用了幾格來判斷? 起飛的判斷用到眼睛接收資訊的哪些部分,目前仍在研究中。
- 種類之間的差異。 據報告,即使同樣是蒼蠅的近親,飛得快的種類和飛得慢的種類,眼睛的速度也不同。這和生活方式有什麼關係,目前還看不清全貌。
也就是說,這篇文章的內容,也只是「就目前所知範圍內的說明」。數值會因種類、亮度、測量方式而不同。
與課本的連結(依程度)
| 程度 | 科目・單元 | 文章中的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然・刺激與反應、昆蟲的身體 | 複眼、從眼睛接收到身體行動為止 |
| 高中 | 生物・受器與效應器、物理・速度 | 視覺細胞的構造、到達時間的計算 |
| 高中+ | 生物・進階(神經的資訊處理) | 快速的視覺細胞,以及它在能量上的代價 |
| 大學 | 感覺生理學・神經行為學 | 閃爍融合頻率、撞上前的時間、巨大纖維系統 |
| 研究 | 比較神經科學 | 各種動物對時間的感受 |
| ― | 與生活的連結 | 驅趕蒼蠅的方法、螢幕與照明的閃爍 |
- Card G, Dickinson MH (2008) Visually mediated motor planning in the escape response of Drosophila. Current Biology 18.
- Healy K, McNally L, Ruxton GD, Cooper N, Jackson AL (2013) Metabolic rate and body size are linked with perception of temporal information. Animal Behaviour 86.
- Laughlin SB, de Ruyter van Steveninck RR, Anderson JC (1998) The metabolic cost of neural information. Nature Neuroscience 1.
- Lee DN (1976) A theory of visual control of braking based on information about time-to-collision. Perception 5.
- Wikipedia「Flicker fusion threshold」
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中的數值是用來理解原理的參考值與概算,會因生物的種類和條件而不同。若要使用殺蟲劑等產品,請依產品標示使用。