苍蝇怎么能在天花板上走呢?

时间:2021-08-24 08:55:51   作者:
这里你可以看到用扫描电子显微镜(SEM)两倍放大的苍蝇脚。请注意,在图1中,它们有一对爪子,每个爪子都有一个浓密的爪垫,看起来像一个灰尘拖把。这个垫被称为pul绒毛。图2是该垫上的毛发的放大图,称为刚毛。

苍蝇和其他昆虫的爪子能让它们爬上粗糙的表面,比如你家的窗帘,但它们不能爬上光滑的表面,比如窗户或天花板。为此,我们得看看这些浓密的脚垫。

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注意在图2中,每一组都由一个具有扁平(铲状)尖端的细丝组成。这些脚尖会分泌一层由油和糖组成的粘着剂薄膜,使脚有点粘注意图3中刚毛与光滑表面的接触。pul绒毛的弯曲确保了这些部分会接触到更有纹理的表面(如大多数天花板),而不是像下面这个完全平坦的表面。这种黏合剂就是为什么苍蝇如此善于将细菌从你的垃圾桶或猫砂盒中运送到你的餐盘上的原因。

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爪子不仅在粗糙的表面上起作用,而且在起飞时也起作用。为了让昆虫飞起来,每只脚都在爪子上轻轻碰了一下,把表面的刚毛削掉;从刀尖的边缘提起刀尖要比像吸盘粘在玻璃上那样直接拉下来容易。粘合力不强,刚毛容易脱落;弥补任何一组的弱附着力的是,它们是如此之多。许多弱力比强力更容易折断,比如每只脚上有一个吸盘。

苍蝇并不是唯一能够爬上玻璃窗或穿过天花板的动物,一些壁虎和青蛙也可以。青蛙靠一种粘性分泌物附着,类似于苍蝇的方法。它们的黏合剂是一种薄而湿的黏液,在青蛙走路时很容易被拉松。除了在晚上出现在我们的窗户上捕食昆虫外,这种依附方法在更自然的环境中被用于依附宽阔的植物叶子。然而,树蛙在像树干这样粗糙干燥的表面上有困难,所以在这方面,它们不同于苍蝇,苍蝇的每个脚趾上都有爪钩。如果树干是湿的,对它们来说更容易。

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在扫描电镜水平上,壁虎的脚(图6)让人想起苍蝇的脚(图7-8),成千上万的刚毛共同给脚一个很大的表面积。然而,它们是干的,粘附的机制与苍蝇不同——不是粘性的胶水或湿气膜,而是保鲜膜粘附食物、碗和自身的机制:范德华力。

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范德华力是电中性原子间微弱、短暂的相互吸引。当电子绕原子核运行时,它们并非保持均匀分布,而是呈现出密度的随机波动。如果电子短暂地聚集到原子的一边,它们会使那一边稍微带负电,另一边稍微带正电。如果另一个原子离这个原子足够近,第二个原子就会对自己的电子云产生干扰。然后,两个原子的相反带电区域会短暂地相互吸引。

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单个范德华力的强度只有共价化学键(将分子结合在一起的键)的1%左右,但当两个表面相遇时,大量原子之间的范德华力可以产生非常强的吸引力——就像我们把塑料薄膜从卷中拉出来,试图包住一个食物碗时,塑料薄膜本身就会粘住的人所知道的那样。壁虎每平方厘米的刚毛约为150,000;尽管单个的力量很弱,但众多力量的叠加效应是一只重蜥蜴爬上窗玻璃的原因。

我必须争取把范德华力纳入我的教科书,因为其他教授(我也曾经)习惯于在人体基本化学中只教授共价键、氢键和离子键。当我第一次将范德华力引入人体解剖学和生理学时,我遭到了评论家们的嘲笑,他们认为在已经拥挤不堪的教科书中提及它们太微不足道了。但范德华力无处不在,从蛋白质折叠到身体潮湿的内膜(如心包和腹膜),它对一切都至关重要。正是它们使细胞膜上的磷脂分子相互吸附,所以它们是将所有细胞聚集在一起的关键。它们在材料科学、工程和其他领域也很重要,包括动物行为学。

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苍蝇和壁虎脚的生物学研究一直是工程师们的兴趣所在,他们致力于研制能够在粗糙表面行走甚至攀爬垂直墙壁的机器人。它们的应用范围从行星探索到防滑鞋、汽车刹车、外科手术粘合剂、炸弹处理机器人和军事用途。

让我们暂时回到苍蝇的问题上:苍蝇最初是如何降落在天花板上的?飞行时,苍蝇的腿向下下垂;在天花板上,苍蝇倒立着,腿朝上。怎么会这样呢?当它接近天花板时,会像喷气式战斗机飞行员一样翻滚吗?不。昆虫生理学家Vincent Dethier在他那本迷人的小书《认识一只苍蝇》中发现,当一只苍蝇接近天花板想要着陆时,它会将前腿举过头顶。这些腿上的爪子钩住水面,就像飞机降落在航空母舰上时的尾钩。然后,苍蝇转了半个圈——它会倒转,它的腹部现在指向它飞行的方向,所有六条腿都接触到地面。

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