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够硬!这虫子汽车都压不死 它是硬到极致的昆虫

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虫子到底能有多硬?《自然》的新研究展示了一种超抗压的“铁锭甲虫”,其能够承受自身体重3.9万倍的力量,并且即使被汽车碾压,也能安然无恙地继续爬……

说到昆虫,我们脑海里都会浮现出黑色的小虫到处乱飞乱窜的场景。每当遇到这种情况,我们要么就是避而远之,要么就会选择用脚去踩踏小虫。但是,并不是所有的虫都会“臣服”于我们的脚下,有的昆虫甚至能硬到汽车都压不坏。

除了像蝴蝶这样自由自在伸展翅膀的鳞翅目昆虫,还有一些昆虫选择了对自己的翅膀进行修改。因为有的环境确实不适合像蝴蝶那样自由自在地飞行,高速的风,缺水和各种捕食者的追捕让一些昆虫的前翅开始变化,逐渐演变了机械强度很大并且还带有功能的“外壳”。而这一点做到最极致的就是鞘翅目的昆虫。

鞘翅目是昆虫纲中乃至动物界中种类最多、分布最广的第一大目,该目下的昆虫种类大约有35万种。它还有着一个我们更熟悉的名字——“甲虫”。例如日常生活中见过的金龟子、天牛都属于甲虫。鞘翅目的昆虫通常有一个显著的特征,它们的前翅已经演化成了比较硬的程度,形成了所谓的鞘翅来保护后翅和腹部。

像我们举例的那些鞘翅目昆虫,它们仍然能通过后翅来飞行,而停止飞行时,后翅会收进鞘翅下。除了保护后翅,这些鞘翅还能收集和保留水分,另外还可以作为身体的支撑结构来发挥作用。这种飞行能力可以让它们躲避捕食者,不过,在鞘翅目中,还有一些甲虫的鞘翅融合在一起,已经完全不会飞了。“铁锭甲虫”(Ironclad Beetle)就是其中一种突出的例子。

光这个名字,你就可以推断出它们有多硬实了。这种被誉为抗压冠军的甲虫只有约15~25毫米长,主要栖息在北美西部的沙漠地区的石头或者树皮下。它们早已经失去了祖先具备的飞行能力,而一旦不能飞行,就更容易被捕食者捉到了。不过,铁锭甲虫可能让捕食者望而却步,因为它的鞘翅已经演化到硬度极高的程度,即使捕食者抓到了它们也难以下嘴。

那么所谓的硬度极高到底有多高呢?首先,因为硬度太大,它让昆虫学家非常头疼,因为研究者没法用正常的昆虫针来制作铁锭甲虫的生物标本。用来固定标本的昆虫针根本就无法穿透这些昆虫的鞘翅,论文作者还在论文中特地拿了一个Figure来展示被捅弯的针。

当然,为了验证这些铁锭甲虫有多硬,作者干脆直接用上了不锈钢压力器进行测试,甚至开车碾压(这真的不是为了释放把针弄弯的愤怒吗...)

话不多说,直接上图:

不锈钢压力器

汽车碾压‍

可以看到,即使是汽车压过去,铁锭甲虫只需要数分钟就又能活动了,完全不受影响。在不锈钢压力器精细测量后(其实就是看多大的压力能把铁锭甲虫压死),作者发现,铁锭甲虫受力程度最多可高达149牛顿,大约达到铁锭甲虫自身体重的3.9万倍。而作者在同地区捕捉到的其他甲虫,只能承受68牛顿的力,还不到铁锭甲虫的一半。

奇特的鞘翅结构

到底是什么使得铁锭甲虫名副其实的?为了解析这块硬骨头,研究者想出了各种手段,包括同步加速X射线层析扫描,产生X射线能量流的粒子加速器都拿出来使用了。甚至,作者还制作了一个能在扫描器中转动甲虫身体的设备,就为了能扫描出它的外壳层次。

扫描结果非常有趣,铁锭甲虫的外骨骼完全由几丁质构成,这是一种由葡萄糖和蛋白质基质变化而来的纤维材料,而铁锭甲虫鞘翅的蛋白质含量比其他甲虫要多10%,这会使得他们更耐压。而整个外骨骼简直就是一套完美的乐高拼图。尤其是左右鞘翅的连接处,已经形成了一个完全卡住的中侧缝合口。这个缝合口将不同的外骨骼片段连接到了一起,显著得增强了整体的抗压性。

图片来源:David Kisalius

鞘翅的这个中侧缝合口让铁锭甲虫的颈部有了一个抗压缩结构,但我们可能会立马想到,受压时拼图不应该会自动解开才对?铁锭甲虫也考虑到了这一点,因此除了这个缝合口,它外骨骼侧部还有一些能完成剩余抗压工作的结构。

下图展示了铁锭甲虫侧部的特殊部分,可以看到侧部支撑(Lateral supports)部分中,一共能产生三种类型的结构,分别是交叉型(Interdigitated),闭锁型(Latching)和独立型(Free-standing)。其中,交叉型结构最为坚硬和结实,能够对外力产生很大的抵抗作用。另外,在交叉式结构的外表面还生长有一些微型的毛,也被称作微刺,它们能够增加摩擦力,增强外骨骼的抗性。

Suture代表了鞘翅中间的缝合口,图右侧展示了不同的外侧结构

而闭锁型和独立型则能让整个鞘翅更缓和地变形,让上方的力更均匀地传递至各个部位,以此防止外力将外骨骼压碎。由此,一个完整的抗压力环就诞生了,中侧缝合口也变得坚实无比,外侧结构又加固了外骨骼的整体结构。

铁锭甲虫们在压力器下光荣牺牲后,研究者们终于弄清楚了它们外壳高强度抗压的秘密。而像工程学上一些领域或许能用的上这些诀窍,例如,建造更加安全的引擎。“构建引擎最大的难处,就是在不限制载荷的情况下,将不同的材料结合到一起。”论文作者之一David Restrepo表示。

他们模仿了铁锭甲虫鞘翅融合结构,用碳纤维构建了一个类似引擎的结构,结果显示这种引擎结构不仅能运作,并且要比现有的引擎更结实和耐用。对此,研究者也信心大增,他们认为人类的许多设计和技术都曾是从动物中获得的灵感,而这只仅仅只有1厘米长的“硬汉”,说不定能带来一场引擎革命。

大概到那时,发明者可能会说这是一次来自汽车碾压虫子的灵感也说不定......

责任编辑: 夏雨荷   来源:环球科学 转载请注明作者、出处並保持完整。

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