补水,我有特殊技巧:把屁股都给我翘起来!

作者: Vivian

来源: 果壳

发布日期: 2019-05-16

文章介绍了南非纳米布沙漠中的沐雾甲虫如何通过特殊的身体结构在雾中收集水分,以及这种生物特性如何启发人类开发集水技术,为干旱地区提供水源。

天热了,为了解渴,我们可以喝很多的冷饮……便利的城市生活很容易让人忘记——水是宝贵的资源,尤其对干旱地区而言。南非的纳米布沙漠,是世界上最干燥的地方之一,几乎不下雨。为了汲取生命所需的水分,沙漠里的动物就需要采取独特的策略,比如沐雾甲虫(Stenocara gracilipes)——雾中集水。

在大雾中收集水的甲虫 | BBC

沙漠里虽然不下雨,但却会起雾。大西洋上空的湿润空气会被大风吹到纳米布沙漠,令清晨时分的沙漠笼罩在薄雾之中。这些水分稍纵即逝,因而弥足珍贵。小甲虫奋力跑上沙丘,途中还有可能沦为蜥蜴的口中食,一切努力都只为赶在雾气消散前获取水分。

它们迎风翘起臀部、向前倾斜自己的身体。雾气逐渐在其背部凝结,待水珠聚得足够大,就沿着身上的细槽流到嘴里。迎风翘起的甲虫 | wired

小小的后背,特殊的结构

沐雾甲虫那看似普通的后背,其实有着精巧的设计。甲虫的背面,有很多小凸起 | Nature

它们的背部凹凸不平,有很多细小的凸起。凸起的顶端没有蜡质覆盖物,是亲水的,水会被这样的表面吸住,然后铺展开来。然而,凸起的斜边部位以及背上的沟槽,却都是覆盖了蜡质物的微结构。这些微米结构和蜡质物共同创造出了与荷叶表面类似的超疏水系统,在这样的表面上,水珠就变成圆滚滚的,非常容易滚落。

凸起的顶端是无蜡的、亲水的 | Nature

简单说来,甲虫背上的凸起尖端是亲水的,可以收集雾中的水分,而凸起的斜边与背上的沟槽是疏水的,便于收集而来的水珠流到嘴里。

如何把雾气慢慢地“榨”出水?

在炽热难耐的沙漠里,若非利用特殊的可控机制,雾中的小水滴会在热度及风力的作用下很快消失。因此,雾中集水并没有那么简单。

水滴把甲虫背上那亲水的凸起顶端作为凝结点,并逐步增长。浓雾中的水,固定于凸起顶端,形成快速增长的粘附在背部的水滴。而水就算落在疏水区域,也可以在弹起或被风吹到亲水区域时,被收集起来。

而水滴能粘附在亲水的凸起尖端上,取决于亲水尖端与水滴之间的吸引力。汇聚在一起的水滴,最终增大到一定的大小。超过这一大小后,水滴质量与表面接触面积的比率快速增加,直到克服了将水滴粘附在表面的吸引力。此时,水滴从亲水区域脱离,并沿着凸起之间的疏水沟槽,从倾斜的甲虫表面上滚落。

水珠超过一定的大小,就会滚落 | wired

不过,浓雾总是伴随大风出现,凝结而成的水滴不会被吹入风中吗?毕竟在集水的过程中,水滴已经成长为足够大。

科研人员观察到,在自然环境中,沐雾甲虫背部的水珠直径大概会增长到约4-5毫米后,随即形成稳定的水流来为自己供给水分。研究人员进一步计算发现,在迎风倾斜角度为45°,风速5米每秒(与纳米比亚测定的风速一致)的情况下,水滴直径大于5毫米时能沿表面滚落而不致被吹入风中。这种理论与实际的契合,或许就是千万年进化过程与自然选择较量的结果吧。

向沐雾甲虫学习

沐雾甲虫的这种集水结构有非常广泛的应用前景,例如集水帐篷、捕雾网、集水瓶等等。通过这种方法,在不消耗能量的情况下,可以实现对气态水的收集。

捕雾网 | aqualonis

在摩洛哥,雾中集水网系统(CloudFisher)可以将潮湿的空气转变为液态水,每天能够产生多达1600加仑的干净水(约320桶的桶装水)供附近的居民使用。倘若这种应用进一步得到改善、普及,那将给干旱地区带去宝贵的干净水源。另外,仅仅是非洲女性,每年花在打水的时间加起来可高达400亿个小时,因此,类似的集水应用也将极大解脱了打水的女性,让她们能够将更多的时间与精力放在更有意义的事情上。

出去打水的女性 | un.org

家务缠身的非洲女性,在野外徒步的旅人,亟需灌溉的农田,远洋里往返的巨轮……几乎每个地方每个人都需要干净、便宜的淡水,也几乎都可以从捕雾网等应用中得到收益。也许有一天,这个小小甲虫会给世界带来巨大变革,在大海中变出淡水,将沙漠变为绿洲,让空气里的微小水雾凝聚成流,滋润干裂的土地和嘴唇。

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