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大科学家纠结“小难题” 跳蚤跳跃靠脚不靠膝(图)

发布时间:2011年02月28日 20:16 | 进入复兴论坛 | 来源:中国新闻网

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  研究发现这些平均身长只有数毫米的跳蚤跳跃的高度竟能超过10厘米,平均速度可达到每秒1.9米。

  提到跳蚤,不少人都心生厌恶,惟恐避之不及。但这些小虫子们绝非一无是处,其卓越的弹跳能力足以让地球上所有的哺乳动物相形见绌。

  研究发现这些平均身长只有数毫米的跳蚤跳跃的高度竟能超过10厘米,平均速度可达到每秒1.9米。一种成年的刺猬跳蚤从静止到跳至半空仅需1毫秒,就目前人类所知而言,还没有任何一种肌肉组织能提供达到这个速度的力量。

  神秘蛋白胜弹簧

  其实早在1967年,就有一位名为亨利 班纳特 克拉克的科学家发现,跳蚤这种让人百思不得其解的能力并非由肌肉提供而是一种名为节肢弹性蛋白的物质。这种物质在受到挤压后存储的能量可迅速释放,从而产生巨大的推力。节肢弹性蛋白是现有弹性最强的物质之一,在昆虫一生中都发挥着极其重要的作用:跳蚤能以每秒近两米的速度起跳,蜜蜂在飞行时翅膀能每秒振动300次到400次,这些都是节肢弹性蛋白的功劳。此外,诸如蝉和一些甲壳动物也是借助这种物质来发声的。如今,科学家已在实验室里人工合成了这种蛋白,待技术进一步成熟后,它将在工业生产、临床医学等领域发挥重要作用。

  膝脚争论四十年

  至此,笼罩在这个小虫子身上的疑云终于散去了一些,但新的问题又来了:跳蚤又是怎样将这些能量转移到地面、通过身体的哪个部位来实现起跳的呢?不少科学家都为此争论不休,并分成了两大阵营,一方认为是跳蚤的胫节和跗骨(相当于昆虫的脚);另一方则认为是跳蚤腿上的转节(相当于昆虫的膝盖)。多年以来由于技术手段的限制,两大阵营一直都未能说服对方,这么一争就是四十多年。

  解数使尽谜底现

  据美国《连线》杂志网站近日报道,为了找到这一问题的答案,英国剑桥大学的生物学家、机械工程师雷戈里 萨顿和这些跳蚤较上劲。他和同事们几乎将目前能想到的所有研究手段都用了个遍,才于日前终结了这场旷日持久的争论。

  先是能拍到子弹穿过苹果那一瞬间的高速摄像机。这是大多数人第一时间就会想到的办法,但拍子弹还行,拍蚂蚱也还凑合,拍比米粒儿还小得多的跳蚤就不是一件容易的事情了。研究人员从英国白金汉郡迪基温克勒斯野生动物医院“请”来了10只跳蚤,隔着玻璃箱拍了很久才终于获得了51段较为清晰的跳蚤弹跳的慢动作视频。对这些视频进行分析后,研究人员发现,跳蚤在跳跃前首先将一个关节卡在身体和两条后腿之间,然后收缩肌肉压缩含有节肢弹性蛋白的那部分身体,以引发节肢弹性蛋白爆发弹力。弹力释放时,能量会先通过其腿部传导,而真正与地面产生反作用力的则是跳蚤的胫节和跗骨,即跳蚤的脚。

  研究人员发现,在观察到的所有弹跳视频中,有时候跳蚤的膝盖从来没有接触到地面,不管有没有膝盖的接触和作用,跳蚤仍然能以同样的速度和加速度上升。与此同时,该研究小组在跳蚤的胫节和跗骨处发现了较长的穗状物,研究人员推测这或许起到增加摩擦力的作用,但是在膝盖部位这种穗状物却很短。

  除此之外,研究人员同时还采用计算机数学模型对整个过程进行了模拟,并用扫描电子显微镜对跳蚤的解剖结构进行了观察,确认了由视频分析所得出的结论。

  美国弗吉尼亚理工大学生物力学专家丹 狄德说,这样的研究不是只为了弄清这个小问题。面对人类在制造业上所陷入的困局,不少生物学家和工程师们都将未来寄托在了仿生学上。就拿节肢弹性蛋白来说,在弹性上目前还没有任何人工制成的弹簧能比得上它。如能让其为我所有,前景将无可限量。

  萨顿说,不少动物所具备的独特能力都是值得人类学习的,例如跳蚤,如果能了解其弹跳原理,找出制造和控制这种力量的方法,便可以很容易地制造出类似的机器人为人类服务。

  相关论文将发表在下月出版的《实验生物学》杂志上。(记者 王小龙)