生物

不会飞行的吃货不是好潜水员,它凭啥能飞能潜、从不湿身?

陈欣泓 发表于  2018-07-22 13:16

|· 本文来自“我是科学家”·|

对于许多陆地小动物来说,“潜水”是个极具挑战的项目,别说“潜”,光是被水淋湿,就会变得极其狼狈了——

比方说,对于汪星人来说,效果会是这样↓

碰水后帅气不再的狗。图片来源:reddit。

喵星人呢,会变成这样↓

风范尽失的猫主子们。图片来源:popbee.com。

那么,对于小虫来说,是怎样一种情形呢?

水上漂的水蟋蟀(Velia caprai)。图片来源:uk-wildlife.

乍看上去,昆虫们似乎可以淡定的在水面“凌波微步”,并不会“湿身”,然而,如果你将它们强行摁进水里就会发现,大部分昆虫­­­还是会变得湿漉漉,被困水中,无法挣脱,比你家汪/喵主子也好不到哪儿去。

湿身之后被困在水里的昆虫。图片来源flickr

但是!这种事儿对于生活在莫诺湖畔(Mono Lake)“身怀绝技”的小虫——碱蝇(Ephydra hians)来说,就得另当别论了。

就连大文豪马克·吐温在150年前就在莫诺湖边发出感慨:“你可以把它们随意地放在水中,无论多久都行,它们一点都不在意,而只会为此感到骄傲” ,“当你在水中放开它们的一刻,它们轻松地浮上水面,出水时比一份刚出炉的专利局文件还干燥”[1]

一只潜水后悠哉地浮上水面的碱蝇。图片来源:参考文献[2]

空气潜水服的秘密

那么,这些碱蝇到底是如何化身即时“潜水艇”,做到入水而不湿的?

仔细观察就会发现,碱蝇沿石灰岩爬入水中时,会在自己的身体和翅膀周围形成一个气泡,就像在入水的一刻给自己穿上了一套自助的空气潜水服大部分身体都会被包裹其中,只留下口器用来吃饭。

在水底吃饱喝足之后,它会松开小爪脱离石灰岩,让自己上浮,在到达水面的一瞬间,潜水服自动破裂,碱蝇也顺势飞离水面。

身着“空气潜水服”的碱蝇。图片来源:参考文献[2]

Mono Lake中正在潜水的碱蝇图片来源:参考文献[2]

碱蝇的潜水神功,不由得令人心生羡慕,而这个不起眼的小家伙儿,到底因何获得“空气潜水服”,一直以来都是个谜……

为了破解这个谜团,,加州理工学院的Michael Dickinson教授带领团队,寻着当年马克吐温的足迹,又一次拜访了莫诺湖,希望能揭开碱蝇这套“空气潜水服”背后的秘密。

Michael Dickinson。教授图片来源:dickinsonlab.caltech.edu

当他们到达莫诺湖后发现,这里虽然风景美轮美奂,但湖水碱性很强,只有极少数的藻类能够生存,但是碱蝇似乎在此生活得逍遥自在(不愧是“碱”蝇啊!)。勘察一番后,他们决定从湖水成分和碱蝇身体这两个角度着手进行研究。

美丽却暗藏杀机的Mono Lake。图片来源:photorator

在正式试验开始前,需要有可定量的指标和装置来衡量我们实验对象的“湿身程度”。我们可以想象,如果我们的测试对象在水中越“湿”,那么其离开水面时就会更“拖泥带水”,所做的功也会越大。

为此,Michael团队设计了一个巧妙的装置,将昆虫固定在小棒后将昆虫“摁入”水中,随后再将其拉出水面,在这个过程中结合光学感应设备来测定昆虫进入水面与离开水面所需要的功,从而反映实验对象的湿身程度。

测定出入水面所需力的装置图及数据示例。图片来源:参考文献[2]

Michael团队首先想看看莫诺湖水有何特别之处,是否有一些成分让碱蝇保持不湿。然而,他们出乎意料地发现湖水中含有大量的Na2CO3,比其他普通的湖水还更易“湿身“,实验中各种与碱蝇体长类似的蝇类在这样的湖水中都变得非常“湿”[3],进入水中后就难以逃脱。

各类蝇类的湿身程度, Recovered Work越小,“越湿” (红框内是碱蝇)。图片来源:参考文献[2]

在湖水中湿了身的海带蝇。 图片来源:参考文献[2]

看来,湖水只能“帮倒忙”,没啥实际作用,核心技术一定还是由碱蝇自身掌握。

肉眼看不出什么区别,那就放大了再观察?

因此研究者们用扫描电镜给包括碱蝇在内的其他蝇类拍了个高清照,他们发现相比于其他蝇类,碱蝇表面覆盖着的刚毛最为密集。

发量良好会是碱蝇不怕湿身的原因吗?

随后的分析发现,拥有更多刚毛的蝇类湿身程度较低。但是,这似乎只是让碱蝇“不湿身”的因素之一,碱蝇的虽然刚毛密度最大但也只比海带蝇(Fucellia rufitibia)多了15%,但防水效果却比海带蝇好太多。

各种蝇类表面的显微结构(红框内的碱蝇表面有密集刚毛)。图片来源:参考文献[2] 

那么,还有没有别的原因呢?

研究团队接下来对碱蝇刚毛表面泛着光泽的贴身“护甲”产生了兴趣——他们利用气相色谱/质谱联用技术(GCMS)对这层护甲进行了化学成分分析,发现其中大部分为二十五烷及二十七烷这两类长直链烷烃,这与其他蝇类均不相同。

难道这才是碱蝇不湿身的真实答案吗?

破案心切的研究团队把这些碱蝇泡在己烷里洗了个澡,将这些长直链烷烃全部洗掉再进行实验,果然,没了护甲的碱蝇在莫诺湖的湖水中瞬间失去了平日的神气,入水之后就像其他蝇类一样湿了身。

碱蝇表面主要覆盖的是直链的二十五烷和二十七烷。图片来源:参考文献[2]

为啥长直链烷烃“护甲”可以帮碱蝇防水?

其实,液体与粗糙表面相互接触时主要有两种状态: 一种状态是Wenzel状态——表面间隙被液体填充,从而让整个固体表面变得很湿(类似你家主子)。另一种状态是Cassie-Baxter 状态——粗糙表面的间隙由气体填满,类似于碱蝇的那层“气体潜水服”;

固液接触时的两种状态。图片来源:参考文献[2] 

固液接触后具体出现哪种状态,取决于接触面的电荷相互作用等因素。如在高浓度碳酸钠的湖水中,大多数昆虫体表与湖水间的静电吸引力强,呈现出了Wenzel状态,从而导致湿身;而碱蝇表面的密集刚毛与长直链烷烃护甲有效地减少了碱蝇表面与湖水间的静电吸引力,从而呈现出了Cassie-Baxter状态,给予了碱蝇这层空气潜水服

这种酷炫的潜水方式,其实是碱蝇为了适应极端环境进化而来的,搞清了它的机制,也可以为新型疏水材料的开发提供思路。

什么都阻挡不了碱蝇下水寻找食物的决心!  

研究花絮:

在莫诺湖的考察过程中,科研人员无意发现一个奇怪的现象——只要他们站在离湖边近的地方,这附近的湖面上就会有一些碱蝇失去了“不湿身”的能力,在进入水中后就被困住了。

一开始他们也十分疑惑,难不成是碱蝇怕人被吓到了?直到看到己烷浴池对碱蝇的作用后,他们才联想到,可能是当时自己身上含有油类的防晒霜惹的祸!

由于天热,防晒霜会随着汗液滴落到附近的湖水中,将一些油类物质带进湖水,溶解了碱蝇身上的直链烷烃,最终导致这些碱蝇不幸湿身。

感谢石悦琳,丁霄哲两位同学对本文修改提供的帮助。

(编辑:小柒)

参考文献:

  1. 翻译自马克·吐温的半自传体小说《Roughing it》一书。
  2. Van, F. B., & Dickinson, M. H. (2017). Superhydrophobic diving flies (ephydra hians) and the hypersaline waters of mono lake. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(51), 201714874.
  3. 有观点认为昆虫的体长能够影响其接触水时的表面张力,从而影响其出入水的能力。

热门评论

  • 2018-07-23 13:52 q68257962

    浸猪笼

    [8] 评论
  • 2018-07-22 16:36 汉尼拔wang
    引用文章内容:在莫诺湖的考察过程中,科研人员无意发现一个奇怪的现象——只要他们站在离湖边近的地方,这附近的湖面上就会有一些碱蝇失去了“不湿身”的能力,在进入水中后就被困住了。

    把这句改改做标题有成为网红文的机会~

    [7] 评论

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全部评论(13)
  • 1楼
    2018-07-22 13:27 地球上的裸猿

    科学就是刨根问底

    [1] 评论
  • 2楼
    2018-07-22 16:36 汉尼拔wang
    引用文章内容:在莫诺湖的考察过程中,科研人员无意发现一个奇怪的现象——只要他们站在离湖边近的地方,这附近的湖面上就会有一些碱蝇失去了“不湿身”的能力,在进入水中后就被困住了。

    把这句改改做标题有成为网红文的机会~

    [7] 评论
  • 3楼
    2018-07-22 17:05 天降龙虾
    引用文章内容:在莫诺湖的考察过程中,科研人员无意发现一个奇怪的现象——只要他们站在离湖边近的地方,这附近的湖面上就会有一些碱蝇失去了“不湿身”的能力,在进入水中后就被困住了。

    对碱蝇来说,人类会带来噩运。。。。。

    [2] 评论
  • 4楼
    2018-07-23 13:52 q68257962

    浸猪笼

    [8] 评论
  • 5楼
    2018-07-24 18:08 饿了就吃消食片
    引用文章内容:


    [0] 评论
  • 6楼
    2018-07-25 04:17 Geek.晴天

    小时候钓鱼的时候,我也见过有苍蝇会顺着石头潜入水里哇,这种东西中国也有的吧

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-07-25 05:41 某宝仓鼠

    有这种生物ai库的话 我直接在美国注册公司了 简直无限商机!

    [0] 评论
  • 8楼
    2018-07-25 08:51 喵星人3.14

    油炸炸一定好吃。

    [0] 评论
  • 9楼
    2018-07-30 17:23 啊文

    哪水黾不湿身是什么原理有确定答案没

    [0] 评论
  • 10楼
    2018-08-01 12:29 圆圆的方块儿

    你们不知道洗澡对我来说简直是个奢求😭

    [0] 评论
  • 11楼
    2018-08-01 16:33 海子不可用

    避水金睛兽

    [0] 评论
  • 12楼
    2018-08-03 11:16 人定胜天_Utopia

    神奇的生物。。。

    [0] 评论
  • 13楼
    2018-08-10 16:32 liaohen
    引用文章内容:发现其中大部分为二十五烷及二十七烷这两类长直链烷烃

    原来如此。

    [0] 评论

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陈欣泓
陈欣泓 加州理工学院 神经科学博士生

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