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夠硬!這蟲子汽車都壓不死 它是硬到極致的昆蟲

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蟲子到底能有多硬?《自然》的新研究展示了一種超抗壓的「鐵錠甲蟲」,其能夠承受自身體重3.9萬倍的力量,並且即使被汽車碾壓,也能安然無恙地繼續爬……

說到昆蟲,我們腦海里都會浮現出黑色的小蟲到處亂飛亂竄的場景。每當遇到這種情況,我們要麼就是避而遠之,要麼就會選擇用腳去踩踏小蟲。但是,並不是所有的蟲都會「臣服」於我們的腳下,有的昆蟲甚至能硬到汽車都壓不壞。

除了像蝴蝶這樣自由自在伸展翅膀的鱗翅目昆蟲,還有一些昆蟲選擇了對自己的翅膀進行修改。因為有的環境確實不適合像蝴蝶那樣自由自在地飛行,高速的風,缺水和各種捕食者的追捕讓一些昆蟲的前翅開始變化,逐漸演變了機械強度很大並且還帶有功能的「外殼」。而這一點做到最極致的就是鞘翅目的昆蟲。

鞘翅目是昆蟲綱中乃至動物界中種類最多、分布最廣的第一大目,該目下的昆蟲種類大約有35萬種。它還有著一個我們更熟悉的名字——「甲蟲」。例如日常生活中見過的金龜子、天牛都屬於甲蟲。鞘翅目的昆蟲通常有一個顯著的特徵,它們的前翅已經演化成了比較硬的程度,形成了所謂的鞘翅來保護後翅和腹部。

像我們舉例的那些鞘翅目昆蟲,它們仍然能通過後翅來飛行,而停止飛行時,後翅會收進鞘翅下。除了保護後翅,這些鞘翅還能收集和保留水分,另外還可以作為身體的支撐結構來發揮作用。這種飛行能力可以讓它們躲避捕食者,不過,在鞘翅目中,還有一些甲蟲的鞘翅融合在一起,已經完全不會飛了。「鐵錠甲蟲」(Ironclad Beetle)就是其中一種突出的例子。

光這個名字,你就可以推斷出它們有多硬實了。這種被譽為抗壓冠軍的甲蟲只有約15~25毫米長,主要棲息在北美西部的沙漠地區的石頭或者樹皮下。它們早已經失去了祖先具備的飛行能力,而一旦不能飛行,就更容易被捕食者捉到了。不過,鐵錠甲蟲可能讓捕食者望而卻步,因為它的鞘翅已經演化到硬度極高的程度,即使捕食者抓到了它們也難以下嘴。

那麼所謂的硬度極高到底有多高呢?首先,因為硬度太大,它讓昆蟲學家非常頭疼,因為研究者沒法用正常的昆蟲針來製作鐵錠甲蟲的生物標本。用來固決標本的昆蟲針根本就無法穿透這些昆蟲的鞘翅,論文作者還在論文中特地拿了一個Figure來展示被捅彎的針。

當然,為了驗證這些鐵錠甲蟲有多硬,作者乾脆直接用上了不鏽鋼壓力器進行測試,甚至開車碾壓(這真的不是為了釋放把針弄彎的憤怒嗎...)

話不多說,直接上圖:

不鏽鋼壓力器

汽車碾壓‍

可以看到,即使是汽車壓過去,鐵錠甲蟲只需要數分鐘就又能活動了,完全不受影響。在不鏽鋼壓力器精細測量後(其實就是看多大的壓力能把鐵錠甲蟲壓死),作者發現,鐵錠甲蟲受力程度最多可高達149牛頓,大約達到鐵錠甲蟲自身體重的3.9萬倍。而作者在同地區捕捉到的其他甲蟲,只能承受68牛頓的力,還不到鐵錠甲蟲的一半。

奇特的鞘翅結構

到底是什麼使得鐵錠甲蟲名副其實的?為了解析這塊硬骨頭,研究者想出了各種手段,包括同步加速X射線層析掃描,產生X射線能量流的粒子加速器都拿出來使用了。甚至,作者還製作了一個能在掃描器中轉動甲蟲身體的設備,就為了能掃描出它的外殼層次。

掃描結果非常有趣,鐵錠甲蟲的外骨骼完全由幾丁質構成,這是一種由葡萄糖和蛋白質基質變化而來的纖維材料,而鐵錠甲蟲鞘翅的蛋白質含量比其他甲蟲要多10%,這會使得他們更耐壓。而整個外骨骼簡直就是一套完美的樂高拼圖。尤其是左右鞘翅的連接處,已經形成了一個完全卡住的中側縫合口。這個縫合口將不同的外骨骼片段連接到了一起,顯著得增強了整體的抗壓性。

圖片來源:David Kisalius

鞘翅的這個中側縫合口讓鐵錠甲蟲的頸部有了一個抗壓縮結構,但我們可能會立馬想到,受壓時拼圖不應該會自動解開才對?鐵錠甲蟲也考慮到了這一點,因此除了這個縫合口,它外骨骼側部還有一些能完成剩餘抗壓工作的結構。

下圖展示了鐵錠甲蟲側部的特殊部分,可以看到側部支撐(Lateral supports)部分中,一共能產生三種類型的結構,分別是交叉型(Interdigitated),閉鎖型(Latching)和獨立型(Free-standing)。其中,交叉型結構最為堅硬和結實,能夠對外力產生很大的抵抗作用。另外,在交叉式結構的外表面還生長有一些微型的毛,也被稱作微刺,它們能夠增加摩擦力,增強外骨骼的抗性。

Suture代表了鞘翅中間的縫合口,圖右側展示了不同的外側結構

而閉鎖型和獨立型則能讓整個鞘翅更緩和地變形,讓上方的力更均勻地傳遞至各個部位,以此防止外力將外骨骼壓碎。由此,一個完整的抗壓力環就誕生了,中側縫合口也變得堅實無比,外側結構又加固了外骨骼的整體結構。

鐵錠甲蟲們在壓力器下光榮犧牲後,研究者們終於弄清楚了它們外殼高強度抗壓的秘密。而像工程學上一些領域或許能用的上這些訣竅,例如,建造更加安全的引擎。「構建引擎最大的難處,就是在不限制載荷的情況下,將不同的材料結合到一起。」論文作者之一David Restrepo表示。

他們模仿了鐵錠甲蟲鞘翅融合結構,用碳纖維構建了一個類似引擎的結構,結果顯示這種引擎結構不僅能運作,並且要比現有的引擎更結實和耐用。對此,研究者也信心大增,他們認為人類的許多設計和技術都曾是從動物中獲得的靈感,而這隻僅僅只有1厘米長的「硬漢」,說不定能帶來一場引擎革命。

大概到那時,發明者可能會說這是一次來自汽車碾壓蟲子的靈感也說不定......

責任編輯: 夏雨荷   來源:環球科學 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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