苍蝇为什么能在光滑的天花板上如履平地看看

北京中科刘云涛 http://nb.ifeng.com/a/20190821/7612844_0.shtml
本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。苍蝇是“四害之一”,是人人喊打的存在,不过抛开它“害虫”的因素不说,苍蝇本身确实很强,因为它比蚊子体型要大,但是却比蚊子更难徒手抓住或者拍死,并且苍蝇几乎可以在任何的物体上停留,不管是垂直的墙壁、玻璃,还是光滑且平行于地面的天花板上,它们都能如履平地。那么,你有没有想过,为什么苍蝇的停留能力如此之强呢?它为什么能够“摆脱地心引力的约束”呢?我们一起来了解一下苍蝇这种讨人厌的昆虫。苍蝇的“超能力”对于我们人类来说,在光滑的地面上走路都有可能摔倒,更不用说想着垂直于墙面向上“攀岩”或者在天花板上倒立行走了,尤其是后面两个动作,只会在一些科幻的作品中,人类因为获得某种超能力才可以实现。但是,这些动作对于小小的苍蝇来说,简直是“小儿科”。那么,苍蝇是如何做到的呢?问题就出在苍蝇的腿上。苍蝇有6条腿,这六条腿从外观上看,没有什么特别的,但是如果你拿显微镜看,就会发现另有乾坤。首先,苍蝇每一条腿的末端都有两个“爪”,这两个爪呈“八字”分开,爪尖非常的细。这样的好处就是苍蝇总是能在一些物体的表面找到一些坑洼之处,然后用自己的两个爪尖抓住相邻的坑洼之处,它就能完成垂直或者平行于地面停留的动作。(下图为显微镜下苍蝇的脚末端)当然,这个方法仅仅是适用于物体表面有较多细小的坑洼的情况下,像我们的天花板、玻璃这些表面坑洼较少且非常的滑的地方,苍蝇是如何停留的呢?这同样也难不倒它,从上图苍蝇的腿部末端我们除了能够看到那一对爪外,在爪的下面还有一对毛茸茸的东西,这个就是它的另一个“武器”-爪垫盘。从外观上看,爪垫盘呈袋状,而且中间向下凹陷,这个构造非常的重要。因为当苍蝇停留在物体表面时,它爪垫盘是优先接触到物体表面的,而中间的凹陷,在降落时,受到挤压力,会向外鼓起,此时,在一个平面上,它的爪垫盘就会与平面之间形成一个真空的区域,这个原理类似于我们常见的吸盘,正是爪垫盘类似于吸盘的能力,将苍蝇“摆脱了地心引力”固定在了垂直于或者平行于地面的光滑的物体表面上。并且在苍蝇的爪垫盘上布满了细小的纤毛(也就是刚毛),这些刚毛在与物体表面接触时,也能形成吸附作用(在下面我们说一下)。不过,苍蝇固定身体的方式远远不止是爪垫盘这么简单,还有另外一个“装置”,让苍蝇可以停得更加的稳当。当苍蝇的爪垫盘接触到光滑的物体表面时,为了让自己停留的更加稳当,它的腿部末端有一个可以分泌液体的器官,这些液体是中性脂质的,具有一定的黏性。这些液体会顺着爪垫盘渗透进接触面中(主要是从爪垫盘的后端深入,因为这个位置微微翘起),让爪垫盘上的刚毛沾上液体,从而产生毛细作用。让整个爪垫盘的吸附力可以更强。这一点我们也可以参考吸盘,吸盘如果是干得和沾一点水,在同时吸附玻璃时,显然后者的吸附力更大。说到这里,许多小伙伴会有疑问:吸附得如此牢固,苍蝇怎么保证随时起飞?经过液体加固,爪垫盘吸附柱物体表面后,会面对一个问题,那就是及时地飞走,毕竟这样才能最大程度地逃避天敌的捕杀。但是,用过吸盘的小伙伴都知道,吸盘一旦吸住玻璃,想要往下拽就要用更大的力气才行。所以,为了让自己可以随时地飞走,另一个“装置”的作用出现了,这个装置就是它的刚毛。当苍蝇落在光滑的物体表面上时,它会分泌液体让自己的刚毛沾满,然后这些刚毛也会聚集到一起,产生较大的吸附力。当苍蝇要逃走时,它们会迅速地控制刚毛散开,同时上图中箭头的位置往上一抬,空气进入,吸附力消失,它就能随时逃走了。可能有的小伙伴对苍蝇控制自己刚毛的行为还有些不理解,其实,苍蝇控制自己的刚毛并不是通过神经系统,毕竟昆虫的神经系统都不发达,而是靠整个腿部的调整。上面我们说过,爪垫盘上的细小刚毛能与物体表面形成吸附作用,其实这个吸附作用是因为苍蝇的刚毛太过细小属于纳米级别的,而物体是由分子组成的,也是纳米级别的,那就是说苍蝇的刚毛与物体表面接触时,其实就是分子间的接触,而分子间本身就存在一定的作用力,被称为范德华力。而范德华力失去作用力的临界角度是30°,所以,当苍蝇要飞走时,只要通过轻微的移动腿部就能达到改变刚毛与物体表面角度的效果,让这个作用力消失。再加上上面说过的动作,苍蝇能够在遇到危险的一瞬间飞走。除了苍蝇外,壁虎能够墙上漫步的原理其实也与范德华力有很大的关系,因为壁虎的脚上也有数不清的细小刚毛。总结苍蝇之所以能够在天花板、玻璃上牢牢地固定,而且还能如履平地,与它脚的特殊结构是分不开的,爪垫盘和上面的刚毛能够形成吸附力,而分泌的液体能让吸附力最大化,而随着时间的推移,液体的减少,吸附力减少,此时再改变爪垫盘与物体表面的角度,苍蝇就是随时移动和起飞了。

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