人类信任狗帮助寻找失踪人员，并依赖蜜蜂来为农作物授粉。但科学家们仍然不完全理解这些动物如何利用它们非凡的嗅觉确定气味源。科罗拉多大学博尔德分校的新研究揭示了风本身在其中的重要作用。随着气味的传播，湍流空气以系统化的方式改变气味嗅闻的时机，形成可能对动物导航寻找气味源有用的模式。这些发现是国际Odor2Action研究网络的一部分，该网络汇集了来自16个机构的跨学科科学团队，研究动物如何利用气味指导自然行为这一神经科学核心问题。研究的首席作者、科罗拉多大学建筑工程、环境工程与土木工程系的博士后研究员Elle Stark，站在显示研究数据的计算机屏幕前。（图片来源：Scott Franz）Elle Stark说：“通过理解空气和风如何转变气味信号，我们可以更好地理解动物的导航行为，并最终模拟这些行为，应用于搜索和救援、定位危险化学泄漏等领域。”这项研究在《PRX Life》期刊封面上发表，通过科罗拉多大学博尔德分校的工程师和康奈尔医学学院神经科学教授乔纳森·维克多之间的合作，将物理学与神经科学相结合。在研究中，团队将气味信号按其所包含的频率进行了分类。Stark表示，有点像人们通过识别特定频率来识别歌曲，气味信号的“频率内容”可能帮助动物找到气味源。研究识别了湍流如何以三种基本方式转变气味信号，因为空气将气味从其来源带走。湍流过滤掉某些频率，扩散其他频率，并生成新的频率。举个例子，想象一下来自野生佛手柑花的浓烈气味。在气味离开花朵、希望吸引授粉者的过程中，Stark解释道，湍流漩涡将这个气味流延展成折叠、扩散、旋转和混合的细丝。当这个气味流最终到达蜜蜂时，气味信号是复杂和动态的。“可能会有一阵气味，然后短暂的嗅闻，接着是一段时间的空气，而动物以某种方式理解所有这些，以便能够找到气味源。”她说。科学家称这个过程为“嗅觉导航”，而动物在进化适应中已经提高了这一能力，历时数百万年。研究团队假设，动物利用气味离开花朵直至达到鼻子之间发生的频率的系统性变化。“这些转变可能是动物解读气味信号以确定气味源距离和方向的重要成分，”研究的共同作者、土木、环境与建筑工程教授、Odor2Action网络首席研究员约翰·克里马尔迪（John Crimaldi）表示。 使不可见变为可见 气味流是不可见的，这使得它们难以可视化，甚至更难研究。但如果你能够看到它们呢？克里马尔迪的团队利用计算机模拟和实验室实验来做到这一点。通过应用先进的实验流体力学技术——研究液体和气体如何运动的物理学分支——他们测量了空气和气味在流中如何共同移动的复杂细节。在其他工作中，团队在风洞中生成了真实的气味流，然后用激光照射它们，使不可见的气味可见。当你观看它的视频时，它看起来像是在蜡烛熄灭后，空气中旋转的烟柱。这项技术不仅能够可视化气流和气味演变，还能将图像转换为定量数据集，帮助揭示这些气味流中的复杂动态。在其他工作中，团队在风洞中生成了真实的气味流，然后用激光照射它们，使不可见的气味可见。（图片来源/Elle Stark） 嗅探未来 Stark和克里马尔迪表示，理解湍流如何转变气味信号只是感知过程中的一步。“动物进行我们称之为主动感知的行为，包括通过气味流移动、摆动触角、嗅闻或其他修改气味信号的行为，”Stark说。信号在神经处理过程中又被修改。“未来的研究可以分析每一步如何改变气味信号，从而使我们理解动物如何利用这些气味信号进行导航。”通过理解这一过程的每个阶段，研究人员希望最终开发出能够做的不仅仅是检测气味的人工系统。现在的电子鼻可以确定某种化学物质的存在，但通常无法确定它的原始位置。