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壁虎脚趾的秘密


□ 唐业忠

  不知大家是否还记得,儿时的老房子或老街道的路灯下,时常能见到一种飞檐走壁的小精灵——壁虎。它们在天花板或墙壁上自由来去,引起人们的无限遐想。近年来,电影《蜘蛛侠》更是让我们对这种几乎无障碍的运动方式充满了好奇和向往.其实,除了壁虎以外,还有其他许多动物能倒挂或附着在垂直于地面的物体上。树蛙、蜘蛛、雨蛙和蚊蝇等都有这个本领。这些动物的脚趾具有一种特殊结构,能够与固体表面快速黏附或去黏附,因而能在与地面近乎垂直或平行的表面(倒挂着)快速移动。自然界存在两种黏附机制,分别为干黏附和湿黏附。壁虎、蚊蝇和蜘蛛类具有的黏附机制属于干黏附,而树蛙和雨蛙等属于后者。

  壁虎每个脚有五个脚趾,每个脚趾上横向长满了刷子状的褶,有些壁虎在尾的腹面也有类似结构。褶由许多顶端分叉成簇的刚毛组成。例如,大壁虎的脚趾上,每平方毫米有5000根刚毛;每根刚毛长30~130微米,直径约为人类头发丝的十分之一。每根刚毛的顶端由几百条纤毛组成。纤毛的尖端形成一个垫状结构,直径在100~200纳米间。我们可以这样形象地理解纳米长度的概念:将1纳米长的物体放到乒乓球上,相当于将1个乒乓球放在地球上。现代科学研究证明,当材料具有纳米级结构时,很多物理性质和化学性质会发生巨大改变,这正是纳米科学的重要性之所在。

  美国伯克利大学的奥特姆等,设计了一种微型的二维机电传感力学测量仪,用以测量单根刚毛的黏附力。测量的结果令人咋舌的:每根刚毛可以产生20~200微牛顿的黏附力。据此换算,一只重约100克的大壁虎,四肢上的20个脚趾共可形成25千克的黏附力,大大超过其自身对抗重力的需要。让我们来仔细了解奥特姆的实验过程和刚毛的细微结构:刚毛顶端的纤毛长短一致,构成一个平面,可以在一个极小的范围内与固体表面形成整齐的接触。该纤毛平面与刚毛主干并不垂直,当纤毛平面与固体表面紧密黏附时,纤毛平面与刚毛形成30。的夹角。如果作用力的方向与纤毛平面平行,可产生200微牛顿的黏附力;如果作用力方向与纤毛平面垂直,则最大只能形成20微牛顿的黏附力。由此可见,作用力方向不同,可导致10倍黏附力的差异。

  要彻底了解壁虎黏附的作用机理,我们还有两个问题需要解释:第一,为什么四肢产生的黏附力大大超出所需;第二,运动时如何解除黏附?

  在自然条件下,脚趾接触的固体表面不可能总是如玻璃般平滑,因此大部分刚毛无法同时接触到作用面;也无法保证每根刚毛的纤毛平面始终与作用力方向平行;另外,刚毛受力的整合作用要远远小于这些力的简单线性叠加。事实上,在粗糙的表面上,壁虎的脚趾要抓住其上的突起,超大的黏附力就会起到不可忽视的作用。

  至于第二个问题,相关研究表明:动物通过主动调节作用力的方向来解除黏附。需要保持黏附状态时,动物主要利用平行于纤毛平面方向的力:需要解除黏附时,动物会施加垂直于纤毛平面方向的力。值得一提的是,以南京航空航天大学戴振东教授为首的我国科学家们在这方面的研究中取得了突出的成果。

  那么,纤毛与作用面的黏附力是从哪里来的呢?其物理化学本质又是什么呢?这就要提到荷兰物理学家范德华的研究成果了。任何物体都含有电子,电子带负电,不停运动的电子使分子内部产生正负两极(即偶极)。偶极的复杂相互作用被称为范德华力,又叫分子间作用力,包括吸引力和排斥力。范德华力几乎是无所不在的,它普遍存在于一切状态(包括固态、液态和气态)的任何微粒之间。吸引力与微粒之间距离的六次方成反比,排斥力与距离的十二次方成反比。也就是说,微粒相距很近时表现为巨大的排斥力,相距较远时表现为吸引力。范德华力的作用范围在零点几个纳米之间。要使壁虎脚趾纤毛的顶端与作业面间的距离在这个范围内,即小于1纳米,纤毛的直径就要在100~200纳米之间,这恰好与壁虎脚趾纤毛的直径相吻合。壁虎脚趾的黏附力为范德华力的另一个证据来自戴振东教授的实验室,他们发现死亡壁虎的脚趾仍然有黏附作用,但黏附力随时间的流逝而减弱。通过物理或化学方法使脚趾的褶结块,也能大大降低其黏附力。

  有人比较了具有黏附能力的不同动物的脚趾结构,发现动物的体重越大,其脚趾上刚毛的直径越小。由于刚毛的结构是黏附能力强弱的关键,任何污染都将导致其黏附力下降。因此,壁虎的脚趾还进化出了自清洁功能。但是,壁虎在蜕皮时,其刚毛是保留还是重新生长呢?这一点目前尚不得而知。读者如果有兴趣,可以自己观察,也可以比较有攀爬能力的壁虎(如家壁虎)与无攀爬能力的壁虎(如沙虎)在脚趾结构上的差异。

  壁虎的另一个特点是,当它们准备着地或着墙时,总是脚垫的后部先接触地面(或墙面),接触面逐渐向前移,最后是脚尖接触。解除黏附的过程恰好相反,总是先将脚趾向掌背翻转,也就是先抬起脚趾,然后抬离整只脚。这个过程正好与人类脚掌移动的过程相反。

  大自然的奇妙之处还有很多。壁虎遇到危险时能自动断尾,这是大家熟知的,但壁虎在繁殖季节以鸣声求偶,知道这点的人可能就不多了。另外,树蛙具有湿黏附的能力,即压缩脚垫与接触面间的空气形成负压,并依赖脚趾分泌的黏液起到密封作用,从而使自己稳固地贴附在物体表面。如果壁虎和树蛙从树上掉落,它们可以在20~30厘米的距离内迅速转身,脚朝下安全降落。树蛙还能根据背景色迅速改变自身的体色,使自己更好地融入环境、躲避天敌……

  大自然中还有更多秘密,期待着我们去探索和发现。

  (作者单位:中国科学院成都生物研究所)

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摘自:大自然 2013年第05期  
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