从50年代起就有对生物体器官本身的极化存储进行检测的结果, 但是这些研究都是离体的生物器官(例如将牛、犬和啮齿动物宰杀后取出其骨骼, 或从活体鱼身上取出其侧线鳞等)来做实验(吴宗汉, 1991; 1992; 1993; 1995a; 1995b), 这种特性虽是表征了生物体的某些特怔, 但对了解生物体活体本身的自身带电性及其对生物体生命过程、生活的影响并未能深入或提供更多的信息。在大袋蛾性信息素加病毒诱芯技术的研究中(赵博光, 1996a; 1996b), 我们观测到雄蛾带电的现象, 进而对昆虫带电特性进行测量研究。测量不仅对了解昆虫带电特性及其本质有意义, 而且, 在研究清楚昆虫带电规律的基础上可以利用这些规律用于害虫的防治, 例如我们已报道了性信息素加病毒诱芯技术的原理和林间防治大袋蛾的可行性(赵博光, 1996a; 1996b; 1991)。如果我们将大袋蛾NPV病毒结晶设法带上与大袋蛾雄蛾相反的电荷, 那么就会大大增加雄蛾携带病毒的数量, 提高该方法防治害虫的效果。当然如果将杀虫剂制做成带电颗粒或雾滴也会使带电的害虫接受更多杀虫剂, 提高其杀虫效率, 同时又会降低对环境的污染, 其应用还不止这些方面。因此昆虫带电不仅是基础理论问题, 同时又有广阔的应用前景。

1 实验

本实验分为3个部分, 一是昆虫自身静止带电特性的测量。本实验选择了常见的一些昆虫的成虫进行测量对比以研究其静止带电特性; 二是考虑到昆虫在运动过程中与环境的相互关系, 又测量羽化的大袋蛾在不同材质的材料上爬行时所产生的静电; 三是测量了羽化后大袋蛾振翅时, 由于翅的振动与周围空气摩擦而使其自身产生的静电。

1.1 昆虫自力静止电特性的检测

动电容静电计是利用振动电容来变换直流讯号为交流讯号, 从而实行交流放大, 放大后的讯号通过相敏检波器再变换成直流信号, 并利用负反馈原理, 将直流讯号的一部分或全部反馈至输入端而放大成可读的指示值的。

实验测量中, 我们把活体昆虫直接放入法拉第筒中, 由于昆虫自身带电, 从法拉第筒引出的导线上则有微弱的电压信号, 即:

式中, Q_insect为昆虫自身带电量; C_F为法拉第筒固有电容量; V_in为输入电压值。

V_in实际上是一个很小的微弱直流信号, 难以直接检测, 使用前置放大器中的振动电容后, 可以把直流输入变为交流输出如图(2)所示。

如图输入直流电压为V_in, 由A-B端输入, 则累积在振动电容C_v上的电荷Q上的电荷为:

当振动电容有规则地改为C_v时, 则电荷必然随之而发生变化, 这样C_v的变化不能使振动电容上的电压随之而变化, 则要加上藕荷电阻r_i, 且r_i应满足如下条件:

其中f₀为振动电容的驱动频率。

如果在振动电容上有Q电量时, 振动电容两极片上电压为V, 当满足上述的条件时, 则C_v上的电压随电容量的变化而变化, 即有:

又若C_v是以正弦函数形式变化时, 即:

式中x为电极板间距的变化幅值; C₀为C_v的静电容量。

由一般的电路知识可知, 通过C_cf电容在输出端呈现的交流成分的有效值V为:

转换效率:

该交流讯号经过电路处理后得到放大, 并再由相敏放大器变换为直流信号而指示出来, 因而由该读数可得出电压指示值, 从而可得昆虫自身电荷电量值, 这样亦即可得昆虫自身的电量的数值。

使用硅胶在室温下将虫体干燥至恒重得干燥虫体净重值。

1.2 大袋蛾雄蛾爬行诱导产生的静电荷电量

为测量大袋蛾雄蛾在不同介质上爬行后诱生静电的带电量, 我们首先让其分别在F₄板、玻璃、纸片、石蜡、金属(敷铜板)上爬行数20 cm后, 再按1.1所述方法测量。

1.3 大袋蛾飞行振翅过程的诱生静电的测量

为了研究大袋蛾振翅过程中产生静电的情况我们采用了两端开通的法拉第筒, 筒内层粘有一块与罩体相绝缘的发泡塑料, 若用大头针将雄性大袋蛾固定在其上时, 由于大袋蛾不断振翅, 它就会与周围空气摩擦而产生静电。由于蛾翅产生静电与空气产生的静电是等量异号, 不可能有显示值的变化。我们在筒的一端安装一微型吹风机, 使筒内空气流通, 筒内产生的带电空气就会被吹离筒体内部。这样就出现了振翅前后的数值之差。

本实验中, 法拉第筒的电容值的1150PF。对原实验装置进行了改装, 具体如图形所示。

2 结果 2.1 几种常见的昆虫的带电

我们对几种常见昆虫带电及与体重的关系进行了测量和计算, 结果如表 1。表 1的结果说明活体昆虫自身都带有不同的电量。一般情况下, 昆虫的静止带电量在几十到几百皮库量级, 且绝大多数带负电荷, 其电荷/质量的比值在10^-7~10^-5量级范围内, 个别昆虫带正电荷。使用硅胶在室温下将蜜蜂干燥一周以上(至恒重), 以除去昆虫体内自由水。测得虫体干净重, 它和虫体体重的差值为虫体内自由水的重量, 该值与虫体的自身体重相比较, 可见它与荷电无相关性, 因而可推知虫体自身的荷电不是单纯由虫体内自由水的多少而形成的。

我们利用求得的电荷/质量的比值对数值与所带电荷作图(或用电荷/质量比与所带电荷作双对数图)可以发现其:①电荷/质量的比值并不是一个常数; ②电荷/质量的比值的对数与所带电荷量(或质量)是成一定的线性关系, 即是有分形特性的。即:

式中, Q为带电量, m为昆虫质量, A, B, C为常数, D, E, F为分数维数。

上3式是等效的, 现利用计算机计算可求其中1式如:B=7.41×10^-11, E=1.08409

2.2 大袋蛾雄蛾在不同介质上爬行对其携带电荷的影响

本实验测量了大袋蛾在不同介质上爬行后携带的诱生带电的情况, 结果见表 2。

2.3 大袋蛾雄蛾振翅诱生静电的测量

对大袋蛾雄蛾周振翅诱生的静电电荷进行了测量和计算, 其结果见表 3。

由表 2和表 3的结果分析, 大袋蛾爬行和振翅均能诱生电荷。昆虫爬行中的摩擦起电有随机特性, 但实验结果表明:若用绝缘特性很好的F-4 (聚四氟乙烯)作为爬行通道其带电量为负者机率大, 玻璃、纸片、蜡等作爬行通道时其带电量为正者的机率大, 表 2中的平均值及偏差值是取产生电量的绝对值来整理的。其平均值可显示出材质不同产生带电量的平均级关系。绝缘性能好的其平均值大, 导电性能好的平均值则小。

3 讨论

近年来, 利用计算机研究生物生长的过程是一个引人入胜的新领域, 所得结果显示出了生物生长的分形特征。如植物的分形生长和节支支物的体重与体长的关系已有报道, 而本实验又表明昆虫自身带电特性是具有分形特征的, 也就是说昆虫的质量与它本身的带电是有着一定分形规律, 随着昆虫质量变大, 而其本身静止带电并非按线形规律变化, 受分形规律支配, 本文求得其分数维值E为108409见图 4。该结果尚未见国内外报道。

在振翅过程中诱生的静电其标准误差较小。刚羽化的大袋蛾振翅情况较为一致, 标准偏差较小。但较老的蛾子, 其振翅能力下降, 诱生的电荷较小。个别测量中有出现负电荷的偶然现象, 可能是操作者人体带电的影响。这尚需再作实验证实。

综上所述, 昆虫(包括大袋蛾)带电是由以下几方面原因造成的:昆虫自身带电; 昆虫在栖息处爬行中与爬行通道摩擦而产生带电; 昆虫振翅与周围空气摩擦而产生带电。

从数量级关系看, 昆虫自身带电的影响较爬行、振翅所产生电量的影响大些; 爬行所产生的带电随机性较大, 数据的标准误差也较大, 而振翅中由于需要人为将虫体固定, 可能有人为因素的影响。

总之, 昆虫带电是一个值得深入研究的领域。今后将深入进行跟踪生长检测, 动态检测等工作, 以求能更进一步阐明昆虫带电的机理, 并能用于害虫的综合治理。