我跳！我跳！我跳跳跳！
撰文 | 不周
审校 | 二七
家附近的便利店会卖一种神奇的豆子，把它握在手里，或者放在阳光充足的地面上，它会不停地摇晃、翻滚、甚至会“砰砰砰”地跳起来翻个跟斗。有时候躺在床上，把几颗豆子装进盒子里，然后再将盒子放在枕头下，就能听到几颗豆子“快乐”的跳跃声，就像一群小伙伴在蹦蹦跳跳一样。或者把它放在桌上，让它们跳着和我们一起玩游戏，回答自己一个问题：今晚吃什么？
这些对小朋友充满诱惑力的神奇玩具 —— 墨西哥跳豆（Mexican jumping bean），无论怎样看都是一种植物。那是魔法让它们跳起来的吗？这大概是许多墨西哥及附近地区小朋友内心的困惑。
事实上，许多植物都能运动，比如跳舞草叶片会上下舞动、向日葵会发生转动、麦穗成熟后更是能“长腿跑掉”，但这些都源于植物受外界环境刺激产生的向性运动。而墨西哥跳豆的情况则有些特殊，它能跳起来是因为内部真的有一个“小司机”—— 一种飞蛾（Cydia saltitans，也称跳豆飞蛾）的幼虫。
墨西哥跳豆的“豆”原本是墨西哥山区一种大戟科灌木（Sebastiania pavoniana）的种子，通常呈现为棕色或棕褐色，两面平坦、一面弯曲的形状看起来就像是半颗榛子。但跳豆的“跳”就和植物无关了。在春季灌木开花之时，飞蛾会将卵产在尚在发育中的悬吊的豆荚上。在卵孵化后，极其微小的幼虫就会钻进还未成熟的绿色豆荚中，并开始啃食种子。随着豆荚逐渐成熟，它会掉落在地上，并分裂成三瓣。其中，内部含有飞蛾幼虫的豆子就变成了墨西哥跳豆。
在钻入种子后，幼虫会不停蠕动着在豆荚壁上吐丝，铺成柔软的丝状“衬里”，空气与水分透过豆荚壁上的小孔渗入豆子里，共同为这位寄居者营造了舒适而惬意的环境。但生活不可能一直这样轻松。
由于这种灌木生活的地区炎热而干燥，且日照强度很高。每当太阳出来后，地表的温度就会快速上升。如果放任阳光直射，高温会使幼虫体内的水分快速流失，这对于幼虫而言，是致命的。
因此它们必须努力地蜷曲身体蓄力，抓住丝衬的同时猛地伸展开，用头撞向豆荚壁。此时，豆子就会翻滚或者跳起来。它们需要不停地跳动，直到移动到凉爽、阴凉的地方，这样它们才能存活足够长的时间，等来蜕变的成蛹期。
这看上去并不难，感觉太热，就跳、跳、跳去凉快些的阴凉地。但对于被困在“家”中、完全无法看到外界环境的幼虫来讲，每一步都事关生死。如果没有在生长前期吐出铺在豆荚壁上的丝衬，幼虫倒是可以在豆子里自由转动，可这样它们就无法通过小爪子将自己固定在一个点上发力，也就不可能真正地滚动起来。而如果它们蹦来蹦去，却始终找不到阴凉地，也会死亡。
但只要有足够的时间，多数跳豆总会找到一个避开阳光的临时宜居地。美国西雅图大学的物理学家帕沙・塔巴塔巴伊（Pasha Tabatabai）和美国加州大学圣克鲁兹分校的计算机科学家德文・麦基（Devon McKee）对此非常好奇，这些幼虫在炎热的天气里是如何一步步找寻到阴凉处的。“如果我是一颗豆子，并且不在阴影里，”塔巴塔巴伊说道，“我只想知道最终找到阴影的概率是多少？”
他们最终发现，这些跳豆行走的轨迹遵循随机游走策略，这项研究于今年 2 月 25 日发表在了《物理评论 E》（Physical Review E）上。
随机游走策略可以追溯到 1827 年，科学家罗伯特・布朗（Robert Brown）在显微镜下研究飘浮在水中的花粉颗粒时，观察到花粉在奇怪地抖动着。布朗觉得这些花粉是有生命的。但当他又用显微镜观察明显不是“活着 ”的尘埃颗粒时，他再次观测到了抖动行为。布朗始终没能确定是什么原因让这些非生命体动起来。
直到 1905 年，爱因斯坦试图在一篇论文中证实原子和分子的存在，他提出，像水这样的流体分子会随机移动，并与悬浮在流体中的其他小颗粒（比如花粉或尘埃）碰撞，从而导致了约 80 年前布朗观察到的微小粒子在流体中做的无规则运动 —— 布朗运动。
为了更精准地刻画布朗运动，我们可以想象自己正沿着一条直线行走。每迈出一步，就抛掷一枚硬币，如果它正面朝上，就向前走；如果反面朝上，则后退一步。因为每次抛硬币的结果都独立于其他结果，所以每次抛掷硬币出现正面或反面的概率总是相同的。这也意味着，我们最终所处的位置是独立于最初的起始位置的，也因此被称为随机游走。
为了研究跳豆行进的策略，研究人员设计了实验，尝试统计跳豆的跳跃行为，并进行定量描述。此前一项研究已经确定了 20℃到 30℃这个区间，正是跳豆幼虫跳跃行为最活跃的理想温度范围。而另一项研究则通过统计研究发现，跳豆基本上只有翻转、滚动和跳跃三种类型的运动行为。其中，跳跃最为常见，占比约为 87%。
在这些研究的基础上，麦基和塔巴塔巴伊用铝板覆盖了一块电加热垫，构建了一个温度受控的平面。其中，铝板能保证均匀地散热，利用红外线温度计跟踪记录铝板表面的温度，也能确保跳豆始终处于跳动行为最活跃的温度区间。他们还在铝板上放置了一张白纸，方便对比成像。
实验一共用到了 37 颗活跃的墨西哥跳豆，分别令它们自由地跳跃一个多小时，同时两位科学家收集了它们每一颗的位置数据，并根据这些数据创建了计算机模拟图像来描述每一颗豆子的行进轨迹。
结果显示，几乎所有豆子的每次跳跃都发生在 10 秒内，而它们的运动轨迹与随机行走模型是一致。即使实验中调整了豆子与平台平坦表面之间的摩擦程度，它们始终坚持这随机游走的策略。这由此引发两位科学家的思考，随机游走是跳豆避免阳光直射最有效的策略吗？
通常情况下，能遍历整个地图的随机游走看上去是很低效的做法。因此他们又在计算机上将不太随机的运动模式与随机游走相结合，模拟了跳豆找寻阴影的过程。他们发现，虽然掺杂了非随机过程的运动的确能让跳豆更快找到阴影，但从整体来看，只有一小部分豆子成功了。而使用随机游走策略，跳豆找到阴凉处的时间更长，但它们成功找到阴凉处、并得以存活的可能性要大得多。
也就是说，随机游走的确无法优化效率，但它最大程度地减少了跳豆在树荫稀少时永远都找不到阴凉处的概率。
从夏末到初冬，掉落在地上的豆荚们都需要在太阳升起后，不停地跳跃，希望能找到阴凉处存活下来。直到冬天，它就可以准备结茧成蛹了。但在结茧之前，这些有着锋利口器的幼虫还需要为成年的自己做一个准备 —— 它们需要在茧的一端割开一个“逃生门”（很神奇，这些门都像电钻打的一样，是格外规整的圆形），方便没有口器的成虫能直接推开门获得自由。
但自由或许并不是这种动物真正的生存目标，在蜕变为跳豆飞蛾后，它的寿命只有 3 到 7 天。而如果附近没有它们熟悉的这种灌木丛，它们也不会产卵。某种角度上，这也让墨西哥跳豆飞蛾造成的经济损失是可控的。
这种飞蛾的幼虫一生中大部分时间都是在近乎黑暗的环境中度过，周围始终是同样的墙壁，每天吃着同样的食物。看上去安全且无所事事，但每天不得不撞头以谋求生存的幼虫表示：长大真的很难！
参考链接：
https://arstechnica.com/science/2023/02/taking-a-walk-on-the-random-side-helps-mexican-jumping-beans-find-shade/
https://www.sciencenews.org/article/jumping-beans-strategy-shade-moth
https://www.youtube.com/watch?v=3lkdidU79TY
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22573786/
https://en.wikipedia.org/wiki/Mexican_jumping_beanhttp://www.waynesword.net/plaug97.htm
本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue）
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