迈克尔·怀斯(Michael Wise)把十二只瘿蚊(yǐng)幼虫放入了培养皿,然后他惊讶地发现:里面竟然只剩两只了!其他的幼虫从培养皿中逃了出来,在实验室里到处乱跳。怀斯是罗诺克学院的植物学家,他研究瘿蚊,这种小昆虫会将卵产在一枝黄花属植物中。虫卵孵化后,发育中的幼虫会让植物产生异常肿胀,称为虫瘿。怀斯剖开虫瘿,收集里面橙色的、米粒大小的幼虫。
他注意到,这些小家伙经常开始跳个不停:从虫瘿中跳出,从他的手中跳出,从培养皿中跳出。他想知道,这些没有腿的小动物究竟是怎么跳起来的,而且还能跳得那么快、那么远?
幸运的是,他知道该去找谁寻求帮助。怀斯的研究生同学西拉·帕泰克(Sheila Patek)是杜克大学的生物学家,她研究了出拳速度如子弹的虾蛄还有锯针蚁,这种蚂蚁拥有闪电般速度的鄂夹。
“许多人都知道我研究体型小、速度快的动物,所以我收到了很多拍摄各种东西的请求,”帕泰克说,“我一般都会答应。”然而,她说,许多人认为动得非常快的动物“其实并没有那么快”。拍摄鱼的突击或蚱蜢的跳跃,只需要用1000帧每秒的高速相机就够了。而拍摄瘿蚊的幼虫,帕泰克不得不拿出20000帧每秒的相机。“它们跳跃的速度跟跳蚤一样快,但跳蚤可是用腿的呀,”她说,“这些小家伙真的很棒。”
尽管它们的跳跃速度很快,“(但)我认为它们没有瞄准(目的地)的能力,”帕泰克的同事格蕾丝·法利(Grace Farley)说。为了拍摄瘿蚊幼虫,法利每次将一只放在培养皿中,并等待它把头部和尾部卷在一起、准备起跳的那一刻。
当那一瞬间来临时,法利会旋转培养皿,让幼虫至少对着正确的方向(这个方法并不是总是奏效,但由于高速视频文件非常大,拍得不好的视频通常会被删掉,所以法利没能保存拍摄花絮令我感到很遗憾)。
令人吃惊的是,通过视频能看到,这些幼虫的跳跃技术相当复杂。它们把身体蜷成一个圈,将两片微小的毛发结合在一起——一片在头后面,一片在尾巴上。当这两片毛发接触时,它们会黏在一起。接着,幼虫把自己身体内部的液体泵入身体的后三分之一处,将其变成一个肿胀的支柱,法利称这个支柱为“暂时的腿”。“腿部”积累的压力越来越大,直到超过将头部和尾部黏在一起的力。然后,它们释放自己,“腿”向下推,整个身体向上爆起。
“这些幼虫向我们展示了柔软的躯体是如何像坚硬的肢体一样行动的,”密歇根大学的塔利亚·摩尔(Talia Moore)说道。研究团队表明,瘿蚊幼虫可以跳到13厘米之远。这比它们体长的36倍还要长,好比一个人能跳61米远。此外,它们还非常地有效率:如果要用爬的到达同样的距离,需要花28倍的能量。在野外,这种惊人的跳跃能力可是它们的救命法宝。如果虫瘿被破坏,它们便可以跳到安全的地方去。
许多物种在长大到一定程度后就会离开虫瘿。它们掉在地上,随意跳跃,直到落在黑暗潮湿的土壤上,在那里长大成虫。
其实,还有许多不用借助腿也能跳跃的动物。跳虫——昆虫的小小亲戚——用尾巴下方的特殊附属物推地面而跳起。叩头虫背靠平面躺下,并用力地用头撞击平面,以此跳跃。有些蛇则可以完全从地面跳起,如跳蝮蛇和一种中南美洲的褐色蚩蛇(Chironius fuscus)。
上面这些例子中,坚硬的身体部位充当了肢体。相比之下,“瘿蚊的幼虫没有复杂的肌肉骨骼系统,这让它的跳跃更为了不起,”摩尔表示。其他身体柔软的蠕虫状动物也能以同样的方式跳向空中:它们卷曲成一个环,把头尾锁在一起,给自己身体的一部分施加压力,然后起跳。其他蝇的幼虫以及线虫也会这样跳跃。线虫非常小,它们甚至不需要有黏毛,覆盖身体的水的表面张力足以将头部和尾部锁在一起。
这些跳跃健将有很多属于物种非常丰富的群体,因此,这种运动方式可能比蝗虫或袋鼠那种由肢体推动的跳跃更为常见。“这可能是一种比蚱蜢的腿更为基本的运动方式,”帕泰克说,“我认为这种方式很普遍,只是我们一直忽视了它。”
这些柔软的跳跃动物或许能帮助工程师开发出更耐用的机器人,用于搜索救援之类的任务。帕泰克说:“工程学真的很不擅长制造小型、有极高加速度、不会自毁,还能反复使用的设备。
”放弃硬质材料,转而使用软质材料或许可以解决这个问题,前提是这种软质的机器人能以有用的方式移动。卡内基梅隆大学的则尼普·泰梅尔(Zeynep Temel)负责开发受生物学启发的机器人,他表示:“具有柔软身体的机器人更不容易被损坏,如果让这些机器人在受震灾区等杂乱的环境中工作,将给我们带来巨大的优势。” 而瘿蚊的幼虫正向我们展示了,有一个柔软的身体,并不意味着要牺牲机动性或效率。