苍蝇凭啥能在光玻璃上竖着走?真相既恶心又高级

很文博客hinven.com 2022年1月15日00:25:49很文百科评论2492280字阅读模式

苍蝇凭啥能在光玻璃上竖着走?真相既恶心又高级

图片来源:Pixabay

你有没有想过,苍蝇为什么可以在光滑垂直的物体表面,比如玻璃和领导的头部随意月球漫步?如果说苍蝇腿能 " 吸住 " 物体表面,那么为什么当我们伸手去打的时候,它们却可以轻松飞走,看起来完全无视这种 " 粘性 "?

这个问题在最近 30 年才得到了靠谱的解答。而看完这个哕 /yu ě / 之解答,虽然你挥向苍蝇的小拳拳会握得更紧,但也不得不感叹它们所拥有的这种王炸技能。

人类对昆虫,尤其是苍蝇能飞檐走壁的问题一直很有兴趣,最早的学术研究可追溯至 17 世纪。

不论是谁都不会怀疑苍蝇能 " 上树 " 的技能点长在了它们的脚脚上。研究者们对苍蝇脚脚的技能也提出了各种解释,比如苍蝇脚脚的抓力特别好、脚脚上有静电等等。

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小小果蝇可以随意攀爬竖直的玻璃试管壁。图片来源:doi.org/10.1038/s42003-020-0995-0

1862 年,英国昆虫学家 Tuffen West 指出,苍蝇脚脚的问题被反复研究,许多人都以为这个问题已经得到了完美的解答,已经没有什么值得探索的疑问了。

不过事情在 20 世纪 80 年代出现了反转。过去的理论在 1983 年被英国自然史博物馆的研究者 Nigel E. Stork 一一驳斥。Stork 发现,苍蝇的 " 脚毛 " 和 " 脚汗 " 才是关键。

是的,苍蝇不但有脚毛,还会出脚汗。请观赏苍蝇美丽而浓密的脚毛——

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电子显微镜下的苍蝇的毛脚。图片来源:Stanislav Gorb

就像你在图片里看到的那样,实际上昆虫主要靠两种 " 毛手毛脚 " 的身体结构实现攀缘,第一种是跗端节的脚脚(类似于人的手脚),第二种是脚脚上的毛毛(类似于手脚上的汗毛)。

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莫蝇的一对爪垫(5 所指的圆形)。图片来源:wikimedia

具体来说,苍蝇这类在演化上新出现的双翅目(diptera)昆虫的毛脚长得像吸盘,这种生物装置叫做爪垫(pulvilli)。它们的爪垫上还长着 " 脚毛 ",也就是刚毛

这种脚毛和我们的脚毛形状不同,苍蝇的脚毛都是粘住你的铲形,看起来就像更小的爪垫,而且苍蝇的每根脚毛都由一个表皮细胞发育而来,非常精致。

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铲铲形状的脚毛(刚毛,浅蓝色)是果蝇能吸附在垂直表面上的关键因素之一。图片来源:Hokkaido University of Education

每个爪垫上 " 套娃 " 着大概 30 根脚毛,长这么多脚毛的主要目的是增加接触面积,从而增加吸力。但是如果没有脚汗,苍蝇的爬墙技能不会这么强。

Stork 指出,苍蝇脚汗产生的毛细现象和范德华力(分子和原子靠很近时的吸引力)能提供巨大的吸力。如果让苍蝇在硅胶上走上 15-30 分钟,让硅胶吸附它们的脚汗,那么它们就无法在光滑的表面上行走了。

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图片来源:wikimedia

因此,苍蝇走路时,会留下一路脚汗和脚印。2015 年,德国奥斯纳布吕克大学和基尔大学的研究者发现,果蝇走过的地方会留下清晰的脚汗液滴,形状和它们的脚毛一模一样。

不过,大家并不知道苍蝇的脚汗是从哪儿流出来的。这个问题直到 1998 年才得到解答。

那年,德国马克斯
- 普朗克研究所的研究者 Stanislav N. Gorb
和同事利用电子显微镜发现了苍蝇脚毛的秘密。原来,这脚汗不是从爪垫里流出来的,而是从脚毛的尖尖(刚毛末端)里流出来的。他猜测,当苍蝇的脚脚按压表面时,脚汗就会像感应洗手液一样自动挤出,而当苍蝇起飞时,这些脚汗还会被部分回收。

有趣的是,他发现当苍蝇在走动时,它们的脚毛在物体表面上却是相对静止的,并不会发生滑动摩擦。也就是说,苍蝇走路时,就像脚踩着吸盘一样移动。

Gorb 后来在 2006 年还发现,要消除粘性的时候,苍蝇有三套动作:推一推,扭一扭,拉一拉,就像人类扯皮一样。其中,拉一拉的动作是最省力的。

到了这里,苍蝇飞檐走壁还能轻松躲避的问题得到了解答:苍蝇的脚毛和脚汗提供了和物体表面平行的强大的吸附力。但是由于脚毛和脚汗产生的毛细作用和范德华力都需要贴近物体表面才能起作用,因此苍蝇只要轻轻抬腿,这两种力就会自动消散,粘性也就消失了。原来苍蝇脚脚的太空舞步是这么来的啊。

如果你还是不明白苍蝇脚脚的彪悍之处,来看一下人类还原苍蝇脚脚的效果。

看好了,苍蝇脚脚是这么用的:如果你沿着物体表面拉,是很难拉开的;但是如果你使的力垂直于物体表面,轻轻一提就能松开——

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图片来源:见水印

这是 2020 年日本国立材料研究所(NIMS)通过研究果蝇脚毛的形成过程制造出的同款脚毛。

他们之所以能制造出 " 搓手仔 " 同款脚毛,是因为他们仔细观察了黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)宝宝的脚脚的发育过程。

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果蝇的脚毛(刚毛)以及它的发育过程。图片来源:见水印

实际上,这种超凡的脚毛是在果蝇宝宝变态的过程中产生的,而脚毛的养成只需两步:将要变成脚毛的表皮细胞不断拉长,接着蛋白质(肌动蛋白)在拉长后的细胞顶端累积,形成铲铲。就这样,一个细胞猥琐发育成了一根脚毛。

在果蝇脚脚发育规律的启发下,他们用低配的材料制造出了上面和果蝇脚脚一样粘人的大力工具:脚毛是拉长的尼龙丝,脚汗是海藻酸钙,把两根尼龙丝泡在海藻酸钙溶液里,拉出来就成了,整个过程在室温下就能方便进行。

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制作苍蝇同款脚毛的过程很简单,把两根尼龙丝泡在海藻酸钙溶液里,拉出来就成了。图片来源:见水印

根据他们的测算,横截面积为 9 平方厘米的铲铲就能吊起一个体重为 60 千克的人类,但是只要拉对方向,铲铲就能一键脱落,而且能反复使用。

说实话,人类制造的许多粘性材料,比如文具胶水都是一次性的,刮掉以后就不能再用了。但是苍蝇脚脚却不一样,它们的粘性虽然很强,但却能反复黏贴各种表面,还可以轻松飞走。这种仿生工具如果能实现规模化生产,人类说不定可以减少很多垃圾和污染。

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