蒼蠅憑什么能在光玻璃上豎著走

七君

擁有王炸技能的蒼蠅總讓人感到無奈

王炸技能來自蒼蠅的腳

你有沒有想過，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)我們伸手去打的時候，它們卻可以輕松飛走，看起來完全無視這種“黏性”？

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

人類對昆蟲，尤其是蒼蠅能飛檐走壁的問題一直很感興趣，最早的學(xué)術(shù)研究可追溯至17世紀(jì)。不論是誰，都不會懷疑蒼蠅能“上樹”的技能點長在了它們的腳上。研究者們對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，英國昆蟲學(xué)家 Tuffen West 指出，蒼蠅腳腳的問題被反復(fù)研究，許多人都以為這個問題已經(jīng)得到了完美的解答，已經(jīng)沒有什么值得探索的疑問了。不過事情在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。過去的理論在1983年被英國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，實際上蒼蠅主要靠兩種“毛手毛腳”的身體結(jié)構(gòu)實現(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）。

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

蒼蠅腳上的每個爪墊“套娃”著大概30根腳毛，長這么多腳毛的主要目的是增加接觸面積，從而增加吸力。但是如果沒有腳汗，蒼蠅的爬墻技能不會這么強。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，那么它們就無法在光滑的玻璃表面上行走了。

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

那年，德國馬克斯-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，這腳汗不是從爪墊里流出來的，而是從腳毛的尖尖（剛毛末端）里流出來的。他猜測，當(dāng)蒼蠅的腳腳按壓表面時，腳汗就會像感應(yīng)洗手液一樣自動擠出，而當(dāng)蒼蠅起飛時，這些腳汗還會被部分回收。

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

到了這里，蒼蠅飛檐走壁的問題得到了解答：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，這兩種力就會自動消散，黏性也就消失了。原來蒼蠅腳腳的太空舞步是這么來的啊。

蒼蠅的一對爪墊（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年日本國立材料研究所（NIMS）通過研究果蠅腳毛的形成過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，是因為他們仔細(xì)觀察了黑腹果蠅寶寶的腳腳的發(fā)育過程。實際上，這種超凡的腳毛是在果蠅寶寶發(fā)育的過程中產(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，接著蛋白質(zhì)（肌動蛋白）在拉長后的細(xì)胞頂端累積，形成“鏟鏟”。就這樣，一個細(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，拉出來就成了，整個過程在室溫下就能方便地進(jìn)行。根據(jù)他們的測算，橫截面積為9平方厘米的鏟鏟就能吊起一個體重為60千克的人類，但是只要拉對方向，鏟鏟就能一下脫落，而且能反復(fù)使用。

說實話，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，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現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，人類說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，有刪節(jié)）