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編者按:
理綜考試結(jié)束后,有一道物理題上了熱搜,帶火了一只在平面直角坐標(biāo)系上捉蟲(chóng)子的小青蛙。經(jīng)網(wǎng)友描述,這道題目中,青蛙和蟲(chóng)子分別在坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng),當(dāng)青蛙和蟲(chóng)子相交的時(shí)候,青蛙才能吃到蟲(chóng)子。
No No No,你們出題人可太小看青蛙了。青蛙要想吃到蟲(chóng)子,才不需要和蟲(chóng)子相交,它的舌頭可不是白長(zhǎng)的!
捕獲?。黂achael Lallensack / Science
幾年前,剛剛在喬治亞理工學(xué)院開(kāi)始攻讀博士的亞歷克西斯·諾埃爾(Alexis Noel)向一堂解剖課的學(xué)生們提出了一個(gè)奇怪的請(qǐng)求:等他們把青蛙分割完畢之后,能不能把舌頭都讓給她?學(xué)生們答應(yīng)了。
諾埃爾在實(shí)驗(yàn)室里抱著一只蟾蜍|Alexis Noel
出動(dòng)!超強(qiáng)捕食舌!
諾埃爾從小就喜歡蛙類。長(zhǎng)大后加入胡立德(David Hu)的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室之后,她迫不及待地對(duì)蛙類展開(kāi)了研究。
胡立德也對(duì)這個(gè)課題很感興趣。他不久前參觀亞特蘭大植物園,看見(jiàn)了一群色彩斑斕的箭毒蛙進(jìn)食的樣子。他在這些蛙類的動(dòng)作中看到了一個(gè)物理學(xué)的奇跡:當(dāng)它們向昆蟲(chóng)彈出黏黏的舌頭,其速度和精度都令人稱奇。
他后來(lái)用高速攝像機(jī)拍攝了一只豹紋蛙,發(fā)現(xiàn)它在不到0.07秒的時(shí)間里就能捕獲昆蟲(chóng)——這比人類一眨眼的速度還快了五倍。當(dāng)它的舌頭擊中獵物,其加速度是重力的12倍。然而不知怎的,獵物卻沒(méi)有被打飛,而是粘在了舌頭上。
巨人葉蛙(Phyllomedusa bicolor)捕食的瞬間|Ed Yong / Youtube
你可以試著設(shè)計(jì)一種濕潤(rùn)的材料,讓它以高速擊中一個(gè)紋理粗糙的物體并附著在上面。你是設(shè)計(jì)不出來(lái)的。沒(méi)人做出來(lái)過(guò)。然而蛙類每次捕食都在展現(xiàn)這項(xiàng)技藝。人類從19世紀(jì)就開(kāi)始研究蛙類的舌頭,但直到現(xiàn)在也沒(méi)弄懂它們?yōu)槭裁催@么黏。
為什么會(huì)這么黏?
為了解答這個(gè)問(wèn)題,諾埃爾從解剖課堂上收集了許多條蛙舌。然后她遵照博物學(xué)家的偉大傳統(tǒng),用手指把它們都捅了捅。那柔軟的觸感令她和胡立德都十分驚訝?!八鼈兙拖袷莾和婢唣ね粒╯illy putty),摸上去的時(shí)候,你簡(jiǎn)直分不清那是固體還是液體,”胡立德說(shuō)道,“它們的黏性也很大,就像剛剛嚼過(guò)的口香糖,或是粘在手上擺脫不掉的棉花糖?!?/p>
隨后,諾埃爾帶著一袋子血淋淋的蛙舌、還有從學(xué)校的尸體農(nóng)場(chǎng)收集來(lái)的人類舌頭,走進(jìn)了一間材料檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)將一個(gè)圓柱體緩緩壓入這些切下的器官,她證明了人類的舌頭比蛙舌堅(jiān)硬十倍。
不僅如此,有些蛙類物種的舌頭,在人類測(cè)量過(guò)的所有生物材料中都屬于最軟的一類。胡立德說(shuō):“它們就跟人類的腦子一樣柔軟——但人腦可不會(huì)彈出來(lái)捕捉獵物。”因?yàn)槿彳?,蛙舌在擊中昆蟲(chóng)時(shí)能將它裹住,制造最大的接觸面??的腋翊髮W(xué)的庫(kù)爾特·施文克(Kurt Schwenk)還指出:“蛙舌本身的慣性使它能在彈出的過(guò)程中顯著伸長(zhǎng),這增加了蛙類的捕食距離,也提高了它們突襲昆蟲(chóng)的本領(lǐng)?!?/p>
蛙類的舌頭還內(nèi)置了避震器——其中的一些脂肪和肌肉能在撞擊時(shí)緩沖部分能量。這些避震器在蛙舌回收時(shí)發(fā)揮作用:昆蟲(chóng)雖然承受了很大的力,卻并不會(huì)脫落。“這舌頭就像蹦床加一副棒球手套——它會(huì)伸縮,但也會(huì)抓住你”,胡立德說(shuō)。
蛙舌的拉伸實(shí)驗(yàn)|Ed Yong / Youtube
“我們知道,豹紋蛙會(huì)捕食許多種昆蟲(chóng)、蚯蚓和其他無(wú)脊椎動(dòng)物,”克萊蒙特學(xué)院的詹娜·蒙魯瓦(Jenna Monroy)說(shuō)道,“它們可能會(huì)根據(jù)獵物的不同體型來(lái)發(fā)動(dòng)舌部肌肉,以調(diào)節(jié)舌頭接觸獵物時(shí)的硬度和阻尼,從而確保成功捕到獵物?!?/p>
“不過(guò)這塊軟組織只是成功的一半”,諾埃爾說(shuō)。另一半是蛙類的唾液。
她和同事花了許多時(shí)間和力氣,從收集到的蛙舌上刮下唾液?!斑@些唾液很黏,每次刮完,你都要再把它們從刮刀上刮下來(lái),”胡立德說(shuō),“辛苦半小時(shí),才能收集半毫升。這真像是一件稀世珍寶。”
再次捕獲?。麯avid Shultz / Science
諾埃爾說(shuō):“以前人們都覺(jué)得蛙類的唾液只是黏稠而已?!钡墙?jīng)過(guò)仔細(xì)研究,她卻發(fā)現(xiàn)這些唾液是一種非牛頓流體——這類液體的性質(zhì)會(huì)隨著施加于其上的力而改變。比如蜂蜜會(huì)在攪拌下從固體變成液體,玉米淀粉和水的混合物會(huì)在敲打下變成固態(tài),番茄醬會(huì)因?yàn)槠孔拥膿u晃而變得更易流動(dòng)。唾液就像番茄醬:外部力量會(huì)降低它的黏滯性。但同樣受到外力,人類唾液的黏滯性會(huì)下降到約1/10,蛙類唾液的黏滯性卻要下降到1/100左右。
于是,當(dāng)蛙類的舌頭擊中昆蟲(chóng),上面的唾液就開(kāi)始自由流動(dòng),并輕易滲入昆蟲(chóng)體表的每一道縫隙和開(kāi)口。而當(dāng)舌頭放慢速度并往回收縮,唾液就重新凝結(jié)成黏糊狀,相當(dāng)于是攥緊一只拳頭,把昆蟲(chóng)抓了回來(lái)。
要是舌頭把食物黏住了怎么辦?
“這項(xiàng)分析能用來(lái)解釋我們觀察到的許多奇妙現(xiàn)象,比如蛙類為什么要用眼球的后半部分將獵物推進(jìn)喉嚨。”
北亞利桑那大學(xué)的西川綺紗(Kiisa Nishikawa)說(shuō)道:一旦將昆蟲(chóng)吞進(jìn)嘴里,蛙就必須把它從舌頭上弄下來(lái)。幸好它的黏液把戲都只在垂直方向上最見(jiàn)效;要把昆蟲(chóng)從舌頭上扯掉很難,要把它們撬開(kāi)就比較容易了。蛙只需要用什么東西把昆蟲(chóng)推一下就行——于是它就用了自己的眼球。十二年前,羅伯特·萊文(Robert Levine)用X光錄像顯示了蛙在吞咽時(shí)會(huì)將眼球向內(nèi)收縮,并用眼球?qū)⒗ハx(chóng)從舌頭上推下去。
角蛙用眼球幫助吞咽獵物|Ed Yong / Youtube
黏性動(dòng)物就是材料學(xué)的繆斯?。?/p>
對(duì)黏性動(dòng)物的許多研究都造成了新材料的問(wèn)世。壁虎的爬墻功力引出了干黏合劑的研發(fā);貽貝的足絲(將它們與巖石固定的黏性纖維網(wǎng))啟發(fā)了一種能在水下使用的黏膠;蠕蟲(chóng)啟發(fā)了一種性能更好的醫(yī)用膠帶的發(fā)明,還有一種不會(huì)滲血的膠水,不用縫線就能補(bǔ)好傷口。
誰(shuí)又知道蛙的舌頭會(huì)引出什么發(fā)明呢?“想象一種縫線,快速縫合后會(huì)立即硬化?!焙⒌抡f(shuō),“或者快速撕下時(shí)反而不會(huì)很痛的創(chuàng)可貼?!?/p>
“我們?yōu)槭裁匆谝膺@些東西?”研究動(dòng)物力學(xué)的西川說(shuō),“因?yàn)閬?lái)自生物學(xué)的啟迪能解決實(shí)際的人類問(wèn)題。蛙類的舌頭看似冷門(mén),但是不要忘了,抗生素也是從面包霉菌里來(lái)的?!?/p>
研究著研究著就想吸口貓?。麶ENNIFER VIEGAS / Reader's digest
現(xiàn)在,諾埃爾又將目光轉(zhuǎn)向了貓的舌頭。它們的表面分布著一層微小的脊刺。諾埃爾想知道,這樣的結(jié)構(gòu)是為了方便給自己梳毛、把肉從骨頭上剔下來(lái)、還是有什么別的用途?!拔已芯康募扔屑邑?、又有老虎的舌頭,”她說(shuō),“貓和蛙都是我很喜歡的動(dòng)物,也都是我目前的研究對(duì)象。這真是美好的人生。”
作者:Ed Yond
翻譯:紅豬
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