七君

擁有王炸技能的蒼蠅總讓人感到無(wú)奈

王炸技能來(lái)自蒼蠅的腳

你有沒(méi)有想過(guò)，蒼蠅為什么可以在光滑垂直的物體表面，比如光玻璃上隨意漫步？如果說(shuō)蒼蠅腿能“吸住”物體表面，那么為什么當(dāng)我們伸手去打的時(shí)候，它們卻可以輕松飛走，看起來(lái)完全無(wú)視這種“黏性”？

這個(gè)問(wèn)題在最近30年才得到了靠譜的答案。而知道這個(gè)答案后，雖然你揮向蒼蠅的小拳拳會(huì)握得更緊，但也不得不感嘆它們所擁有的這種王炸技能。

人類對(duì)昆蟲，尤其是蒼蠅能飛檐走壁的問(wèn)題一直很感興趣，最早的學(xué)術(shù)研究可追溯至17世紀(jì)。不論是誰(shuí)，都不會(huì)懷疑蒼蠅能“上樹”的技能點(diǎn)長(zhǎng)在了它們的腳上。研究者們對(duì)蒼蠅腳腳的技能也提出了各種解釋，比如蒼蠅腳腳的抓力特別好、腳上有靜電等。

1862年，英國(guó)昆蟲學(xué)家 Tuffen West 指出，蒼蠅腳腳的問(wèn)題被反復(fù)研究，許多人都以為這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到了完美的解答，已經(jīng)沒(méi)有什么值得探索的疑問(wèn)了。不過(guò)事情在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。過(guò)去的理論在1983年被英國(guó)自然史博物館的研究者 Nigel E. Stork一一駁斥。Stork 發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的“腳毛”和“腳汗”才是關(guān)鍵，是的，蒼蠅不但有腳毛，還會(huì)出腳汗。

蒼蠅在玻璃上攀爬后留下一路腳汗印跡

電子顯微鏡下的蒼蠅的毛腳

就像你在圖片上看到的那樣，實(shí)際上蒼蠅主要靠?jī)煞N“毛手毛腳”的身體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)攀爬，第一種是跗端節(jié)的腳腳（類似于人的手腳），第二種是腳腳上的毛毛（類似于手腳上的汗毛）。

具體來(lái)說(shuō)，蒼蠅這類在演化上新出現(xiàn)的雙翅目昆蟲的毛腳長(zhǎng)得像吸盤，這種生物裝置稱作爪墊。它們的爪墊上還長(zhǎng)著“腳毛”，也就是剛毛。這種腳毛和人類的腳毛形狀不同，蒼蠅的腳毛有點(diǎn)像鏟鏟的形狀，看起來(lái)就像很小的爪墊，而且蒼蠅的每根腳毛都由一個(gè)表皮細(xì)胞發(fā)育而來(lái)，非常精致。

蒼蠅腳上的每個(gè)爪墊“套娃”著大概30根腳毛，長(zhǎng)這么多腳毛的主要目的是增加接觸面積，從而增加吸力。但是如果沒(méi)有腳汗，蒼蠅的爬墻技能不會(huì)這么強(qiáng)。Stork 指出，蒼蠅腳汗產(chǎn)生的毛細(xì)現(xiàn)象和范德華力（分子和原子靠很近時(shí)的吸引力）能提供巨大的吸力。如果讓蒼蠅在硅膠上走上15～30分鐘，讓硅膠吸附走它們的腳汗，那么它們就無(wú)法在光滑的玻璃表面上行走了。

因此，蒼蠅走路時(shí)，會(huì)留下一路腳汗和腳印。2015年，德國(guó)奧斯納布呂克大學(xué)和基爾大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)，果蠅走過(guò)的地方會(huì)留下清晰的腳汗液滴，形狀和它們的腳毛一模一樣。不過(guò)，大家并不知道蒼蠅的腳汗是從哪兒流出來(lái)的。這個(gè)問(wèn)題直到1998年才得到解答。

那年，德國(guó)馬克斯-普朗克研究所的研究者 Stanislav N. Gorb 和同事利用電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)了蒼蠅腳毛的秘密。原來(lái)，這腳汗不是從爪墊里流出來(lái)的，而是從腳毛的尖尖（剛毛末端）里流出來(lái)的。他猜測(cè)，當(dāng)蒼蠅的腳腳按壓表面時(shí)，腳汗就會(huì)像感應(yīng)洗手液一樣自動(dòng)擠出，而當(dāng)蒼蠅起飛時(shí)，這些腳汗還會(huì)被部分回收。

有趣的是，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒼蠅在走動(dòng)時(shí)，它們的腳毛在物體表面上卻是相對(duì)靜止的，并不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)摩擦。也就是說(shuō)，蒼蠅走路時(shí)，就像腳踩著吸盤一樣移動(dòng)。Gorb 后來(lái)在2006年還發(fā)現(xiàn)，要消除黏性的時(shí)候，蒼蠅有三套動(dòng)作：推一推、扭一扭、拉一拉，就像人類扯皮一樣。其中，拉一拉的動(dòng)作是最省力的。

到了這里，蒼蠅飛檐走壁的問(wèn)題得到了解答：蒼蠅的腳毛和腳汗提供了與物體表面平行的強(qiáng)大的吸附力。但是由于腳毛和腳汗產(chǎn)生的毛細(xì)作用和范德華力都需要貼近物體表面才能起作用，因此蒼蠅只要輕輕抬腿，這兩種力就會(huì)自動(dòng)消散，黏性也就消失了。原來(lái)蒼蠅腳腳的太空舞步是這么來(lái)的啊。

蒼蠅的一對(duì)爪墊（5所指的圓形）

鏟鏟形狀的腳毛（剛毛，淺藍(lán)色）是蒼蠅能吸附在垂直表面上的關(guān)鍵因素之一

蒼蠅腳的仿生應(yīng)用

如果你還是不明白蒼蠅腳腳的彪悍之處，來(lái)看一下人類還原蒼蠅腳腳的效果?？春昧?，蒼蠅腳腳是這么用的：如果你沿著物體表面拉，是很難拉開的;但是如果你使的力垂直于物體表面，輕輕一提就能松開。

2020年日本國(guó)立材料研究所（NIMS）通過(guò)研究果蠅腳毛的形成過(guò)程制造出了同款腳毛。他們之所以能制造出“搓手仔”同款腳毛，是因?yàn)樗麄冏屑?xì)觀察了黑腹果蠅寶寶的腳腳的發(fā)育過(guò)程。實(shí)際上，這種超凡的腳毛是在果蠅寶寶發(fā)育的過(guò)程中產(chǎn)生的，而腳毛的養(yǎng)成只需兩步：將要變成腳毛的表皮細(xì)胞不斷拉長(zhǎng)，接著蛋白質(zhì)（肌動(dòng)蛋白）在拉長(zhǎng)后的細(xì)胞頂端累積，形成“鏟鏟”。就這樣，一個(gè)細(xì)胞發(fā)育成了一根腳毛。

在果蠅腳腳發(fā)育規(guī)律的啟發(fā)下，他們用低配的材料制造出了和果蠅腳腳一樣黏人的大力工具：腳毛是拉長(zhǎng)的尼龍絲，腳汗是海藻酸鈣，把兩根尼龍絲泡在海藻酸鈣溶液里，拉出來(lái)就成了，整個(gè)過(guò)程在室溫下就能方便地進(jìn)行。根據(jù)他們的測(cè)算，橫截面積為9平方厘米的鏟鏟就能吊起一個(gè)體重為60千克的人類，但是只要拉對(duì)方向，鏟鏟就能一下脫落，而且能反復(fù)使用。

說(shuō)實(shí)話，人類制造的許多黏性材料，比如文具膠水都是一次性的，刮掉以后就不能再用了。但是蒼蠅的腳腳卻不一樣，它們的腳腳的黏性雖然很強(qiáng)，但能反復(fù)粘貼各種表面，還可以輕松飛走。這種仿生工具如果能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，人類說(shuō)不定可以減少很多垃圾和污染。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號(hào)，有刪節(jié)）