这种没长腿的小肉虫为什么可以平地“起飞”？

来源:澎湃新闻 2019-09-30 08:02 https://www.yybnet.net/

原创：氪罗钡路斯我是科学家iScientist

作者：氪罗钡路斯

编辑：Yuki

说到蹦跳的虫虫，大家脑海里大概会浮现出蛐蛐蚂蚱之类的“大长腿”们。但你能否想象，一只没腿的虫子蹦跳的画面？而且跳起来还丝毫不逊于长腿的亲戚？这并不是杜撰出的励志故事，下面这只白白胖胖的肉虫子就创造了无腿蹦跳的奇迹。

瘿（yǐng）蚊幼虫：“就是我啦！” | 参考文献[1]

01 这只小虫很励志，让我们来研究它吧！

在美国弗吉尼亚州的罗诺克学院，有一位名叫麦克·怀斯（Mike Wise）的科学家专门研究一枝黄花上面不同种类的瘿蚊。

麦克经常需要把菊花叶子上的虫瘿（孵化后的幼虫在植物上的“育儿室”）剖开,时间久了，他注意到，如果打开虫瘿的时间合适，那么白白胖胖的瘿蚊幼虫就会蛄蛹蛄蛹地爬出来；而每年八月份的时候呢，一打开虫瘿，这些幼虫就会像投石车上的炮弹一样，啪叽啪叽弹出去。

瘿蚊（左）和试验中供其产卵的一枝黄花植株。大部分瘿蚊会在植物上产卵，孵化后的瘿蚊幼虫会让植物叶片起一个小包包（虫瘿），然后舒舒服服在里面躺到长大 | Wikimedia Commons（左）；参考文献[1]（右）

这些没有腿的肉虫子是怎么跳起来的？麦克对这个问题产生了好奇。恰好，麦克的研究生同学希拉·帕特克（Sheila Patek）在美国杜克大学当教授，而她的研究方向之一就是生物运动力学。为了得到这个问题的答案，麦克兴冲冲地带着这些虫瘿去找希拉。这些小虫子们没有辜负麦克的期望，在希拉面前表演了它们拿手的跳跃，给希拉留下了深刻的印象，两个人一拍即合，开始钻研起这些长度不到3毫米的小虫子的跳跃秘密。

其实，许多没腿儿的生物都进化出了自己的跳跃方法。大部分情况下，毛毛虫样的小东西会通过锁定、压缩、释放三步完成跳跃。具体来说，它们会把头和尾通过某种方式固定在一起，然后通过拉伸体表或者压缩体液的方式获得弹性势能，就像“一个弯曲的香肠气球”[2]。“解锁”的一瞬间，虫子就会靠着地面反弹释放出的能量把自己发射出去了。

这种跳跃方式的效果丝毫不比那些有腿儿的生物来得差。例如，知名跳高选手跳蚤的起跳速度为1.3米/秒, 叶蝉能到2.4米/秒，而一种无腿的果蝇幼虫（俗称：蛆）能够达到1.98米/秒的起跳速度，与跳蚤和叶蝉不相上下。

02 视频拍了千百遍，才看到跳跃一瞬间

那么瘿蚊幼虫呢？是不是采取同样的跳跃策略？它们的跳跃水平怎么样？

这可不是容易回答的问题。瘿蚊幼虫本身尺寸小，跳开的速度也快，研究瘿蚊幼虫的跳跃对于摄像机的精度和速度的要求都很高。再加上前面提到，瘿蚊幼虫每年只有那么一段时间会从剖开的虫瘿里跳出来……于是，麦克和希拉的联合研究团队前前后后花了三年时间，才捕捉到了清晰完整的瘿蚊跳跃影像。

瘿蚊幼虫果然没有让人失望。通过分析跳跃影像，麦克和希拉发现，瘿蚊幼虫的一跃能够跳出30多倍身长的距离，跳跃速度可达1米/秒，这可比它们费力爬起来的速度快多了。另外，麦克和希拉还邀请了来自英国林肯大学的同事对瘿蚊幼虫的跳跃能耗做了分析。结果显示，跳跃的效率大约是80 J/kg·m——将1千克的物体移动1米耗能80焦耳，而它们蠕动起来的效率则是2400 J/kg·m，可见跳跃比如蠕动效率高了整整30倍！。

跳（飞）出去的瘿蚊幼虫

影像分析还揭示了瘿蚊幼虫跳跃的全过程。像它们许多的无腿兄弟一样，瘿蚊幼虫起跳分为三步：

第一步，首尾锁定：尾巴部分的背部着地，腹部向后收缩，直到第三体节贴上尾部，形成一个圈。

第二步，蓄势待发：通过挤压体液，瘿蚊幼虫的后三分之一膨胀、变白，积蓄了弹性势能。这一步骤也可以看作是瘿蚊幼虫形成了一条“假腿”。

第三步，放飞自我：一秒多的时间之后，锁定释放，小虫子就瞬间弹走了，滞空时间足够翻腾四周半。

03 肉虫跳跃之谜的微观证据

详细的观测记录解开了瘿蚊幼虫跳跃的大部分谜团，但是麦克和希拉并没有就此满意。他们又有了新的问题：在瘿蚊幼虫跳跃的锁定步骤，它们并没有采用口尾相接的方式，而是把第三体节和尾部锁定到了一起。第三体节有什么特殊之处吗？这个锁定又是怎么实现的呢？为了回答这些问题，麦克和希拉想要更细致地观察一下瘿蚊幼虫的形态构造。

然而瘿蚊幼虫实在是太小了，一般的显微镜帮不上什么忙。又是一番绞尽脑汁的尝试之后，麦克和希拉的团队终于找到了一种方法，能够将这些微小的虫子完整地脱水固定从而保存下来。然后，他们借助超高分辨率的扫描电镜找到了他们想要的答案。

他们发现，瘿蚊幼虫自第三体节开始，每个体节上都会出现一条手指样的微结构条带。这些条带让麦克和希拉想到了壁虎的足趾。壁虎足趾上密布的皮肤褶襞和微绒毛能够通过分子间的范德瓦尔斯力让壁虎牢牢地粘在墙壁上。麦克和希拉猜测，瘿蚊幼虫不同体节上的微结构条带也有相似的作用，可以通过挤压让瘿蚊幼虫把自己短暂地“粘”在一起，锁定成一个圈，从而为跳跃而蓄力。

瘿蚊幼虫第三体节上的微结构条带及放大图 | 参考文献[1]

跳跃的原理总算是弄明白了，麦克和希拉又开始了终极灵魂拷问：这些小虫子，老老实实在地上蛄蛹不好吗？为什么要跳来跳去呢？是进化遗留，还是另有目的？其实，动物们学会跳跃不外乎两个原因：趋利或者避害。跳跃可以帮助追捕猎物，或者躲避捕食者、寄生虫甚至环境危害。

所以麦克和希拉猜测，虫瘿突然被撬开会让小虫子们嗅到危险的气息，这时，基本发育完全的小虫子们就会奋力蹦跳，躲开这些不知道从何而来的捕食者，增加自己活下去的几率。

跑是跑不过的，不如原地起飞吧！

作者名片

排版:Yao

参考文献：

[1] Farley, G. M., Wise, M. J., Harrison, J. S., Sutton, G. P., Kuo, C. and Patek, S. N. (2019). Adhesive latching and legless leaping in small, worm-like insect larvae. J. Exp. Biol. 222, jeb201129

[2] Locomotion by jumping in the Mediterranean fruit-fly larva Ceratitis capitata. Nature 355, 159-161. doi:10.1038/355159a0

[3] How maggots leap without legs https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/tcob-hml080219.php

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