这种小虫凭借“头铁”登上《自然》,汽车都压不死它

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这种小虫凭借“头铁”登上《自然》,汽车都压不死它

近期,一种北美西海岸的常见甲虫登上了《自然》杂志。这种叫做铁定甲虫(diabolical ironclad beetle)的昆虫,虽然无法飞翔,却拥有令人惊异的抗压能力,甚至汽车碾过都毫发无伤。科学家们很早以前就注意到了铁定甲虫具有的逆天 ” 怪力 “,但真正揭示它们异禀天赋的来源却是最近的事。快来看看到底是怎么回事吧。

铁定甲虫,图片来源:https://www.inaturalist.org/observations/3084122

铁定甲虫——相貌不好看,遇事马上闪

铁定甲虫身长 2 到 3 厘米,生活在北美大陆的西海岸,从墨西哥北部到加利福尼亚州全境,都有它们出没的目击报告。在富含腐殖质的丛林深处,树木于幽暗的环境中完成着自己的生死循环,同时也为整个森林生态系统提供着不可或缺的养分,泽荫着铁定甲虫等无数生物。树皮表面附着的真菌将菌丝深入到树皮下方,铁定甲虫将巢穴构筑于此,富含多糖和蛋白质的菌丝就是它们最爱的食物。

铁定甲虫属于瘤拟步行虫科,听名字就知道它们至少有两大特征,第一形态不怎么好看,第二不怎么会飞。很多昆虫都有属于自己的武器,有些有毒针,有些有大颚,有些能释放毒液,再不济也能飞。铁定甲虫看起来比较 ” 废 “,没有攻击能力不说,连主动防御也不会,遇上事儿了只能被动防御。

不过铁定甲虫能够绵延不绝香火不断,没两把刷子也是万万不行的,它们御敌的法宝就是三种超强的被动防御技能。铁定甲虫借着这三大招式,虽然谈不上纵横武林,也绝对不至于生活得苟延残喘。

铁定甲虫的被动防御技能之一是装死,这个倒是算不得稀奇,毕竟很多昆虫都会这招,但铁定甲虫装死的段位更高。很多昆虫六脚朝天一躺倒,足和触角都耷拉在外面,虽然装得像,却很容易遭到损伤。铁定甲虫则会有意识地把足和触角收缩回身体周围,它们的胴体上甚至有装死时用来收纳足和触角的凹槽。这样一来,安然渡劫的可能性就会大大增加。

装死中的铁定甲虫,来源:https://www.inaturalist.org/observations/12277220

铁定甲虫的被动防御技能之二就是拟态——它们的表面和形状看起来非常像不起眼的小石头。而且不光是铁定甲虫一族,它所属的瘤拟步行虫科都是拟态的高手。在国外某些甲虫爱好者的圈子里,甚至有收集瘤拟步行虫标本然后制成类似宝石装饰品的风气。

与周围树皮浑然天成的铁定甲虫(左)和瘤拟步行虫标本制成的装饰品(右),来源:维基百科 ” 瘤拟步行虫 ” 条目

铁定甲虫的第三个被动防御技能就更加玄乎了,它们的身体能够承受极大的压力,不仅捕食者的挤压和尖刺对它们没什么办法,连汽车碾过都可能安然无恙。甚至想把它们固定在标本盒里的昆虫学家们都会常常感到一筹莫展——它们的铁甲甚至可以让固定标本用的钢针弯曲。普普通通的血肉之躯,如何能够承载如此重压,铁定甲虫绝技背后的秘密勾起了科学家们的好奇心。

放弃飞翔换来的铁甲加身

铁定甲虫和其它甲虫一样,周身由坚硬的外骨骼包裹。在这套甲胄中,最关键的明显是背部,因为昆虫的背是它们最为脆弱的部位,能不能扛住猎食者的尖牙利爪,全靠背部的承压能力。

普通飞行甲虫的背部装甲是两片鞘翅,也就是将第一对翅特化为类似外骨骼的坚硬 ” 剑鞘 “,将柔软的后翅藏在下方。两片鞘翅间只在最上方处凭借一个像活页一样的结构来控制开合,在飞行时两片鞘翅打开,平时则合并为背部装甲。

这样的结构很好地兼顾了保护性与飞行能力,可惜的是,在面对猎食者自上而下的挤压和啄击时,这种结构在强度上还是会有力不从心的时候。

我们可以回忆一下在路上见到过的被碾压的飞行甲虫尸体,会发现它们无一例外地呈现出鞘翅向外咧开的形态。毕竟鞘翅虽有一定强度,但它们之间只有一处接合点,遇到压力整体结构自然会发生崩溃,这也是飞行甲虫们为了保全飞行能力的无奈之举。

飞行甲虫化石,注意死去时的姿态(左)和飞行中的瓢虫,注意鞘翅和后翅(右),来源:维基百科 ” 甲虫 ” 条目

但与飞行甲虫所不同的是,铁定甲虫为代表的步行甲虫们彻底抛弃了飞行能力,转而将最为关键的两片背部鞘翅特化为了一整块背甲,抗压能力得到了极大提升。不必再考虑飞行动力学的它们,无需再维持圆润的流线型体态,而是进化得越来越扁平且棱角分明。这样的体型也让它们能够更好地栖身于岩石和树皮下方。

至于铁定甲虫的抗压能力到底有多大,科学家们给出了具体的测试结果。在受纵向压缩载荷后,铁定甲虫比其它同类甲虫表现出了更大的刚度(抵抗压缩的能力),而且它外骨骼的刚度在压缩达到一定程度后还有一个忽然的增大。这意味着对它们进行压缩时,途中会发现压缩变得越发困难。

其它同类甲虫外骨骼的刚度只有铁定甲虫的一半到五分之一,而且也并未表现出中途突然增大的现象。当然,甲虫们的外骨骼也绝非铜头铁臂,载荷达到一定程度后出现断裂也是必然。大部分同类甲虫外骨骼断裂时的载荷大约是 40 到 70 牛顿,而铁定甲虫的断裂载荷却达到了 150 牛顿。

这一受力相当于它自身体重的大约 4 万倍,而且也远远超过了成年人拇指和食指合捏时所能产生的载荷(大约 50 牛顿)。也就是说,恐怕人类中最有力的大力士都无法用手指捏爆一只铁定甲虫。

与铁定甲虫一同参与测试的其余甲虫其实也并非是等闲之辈,它们都是和铁定甲虫具有类似身体特征、同一栖息地、甚至相似生活习性的近亲,平时面对的天敌(如大型食虫鸟类)也都差不多。

那么,铁定甲虫这种超神的抗压天赋到底从何而来呢?想要回答这个问题,我们还得从步行甲虫们的身体结构开始说起。

四种甲虫的压缩曲线,其中的蓝色代表铁定甲虫,来源:参考文献 1

铁甲的极意,浑身工业范儿

各种步行甲虫们的外骨骼其实在基本结构上是非常相似的,它们并非是一个完整的管形壳体,而是由几个部分拼接而成。

在背部,两片鞘翅拼合成一片背甲,中间由一条类似铰链的结构连缀在一起。然后再各自与腹部外骨骼在侧方进行连接。说白了就是步行甲虫的身体护甲由两片背甲和一片腹甲构成,它们各自又通过铰链结构连缀在一起,铰链贯穿整个身体。虽然不能飞翔,但是 ” 焊合 ” 在一起的两片鞘翅却形成了一块坚不可摧的背甲,让铁定甲虫们可以安然地面对种种天敌。

铁定甲虫背部中央的铰链结构,来源:参考文献 1

既然大家的身体结构都差不多,那为什么铁定甲虫比其它近亲们的 ” 耐造 ” 程度又高了几个段位呢?

在对铁定甲虫进行更加深入的剖析后,科学家们找到了端倪。他们首先用 CT 观察了铁定甲虫的身体,发现在它们背部外骨骼的下方有一个空腔,这里并没有重要的脏器存在。受到中等程度压缩时,空腔体积变小,而脏器则并不会受到损伤。这一空腔的作用和不少豪车装备的空气悬架有几分相似。

而当载荷进一步增大时,空腔已经不能抵消全部伤害,这时就要外骨骼来 ” 硬扛 ” 了。铁定甲虫这身铠甲可不是吃素的,它的外骨骼格外强健,作为背甲的鞘翅密度甚至达到了 1 克每立方厘米,是很多飞行甲虫鞘翅密度的两倍左右。

此外,类似甲虫外骨骼这样拼合而成的结构,在发生破坏时最为薄弱的环节往往不是材料本身,而是在不同板块的接合处。对于甲虫们来说,这最为脆弱的部位便是两块背部鞘翅之间相接的铰链接缝。

虽然各种步行甲虫的背部铰链接缝存在一定相似性,都是类似于拉锁锁齿的互锁机构。但其它的近亲甲虫们大多采用一个主锁齿的结构,而铁定甲虫则把锁齿分为数个。这种结构经过科学家们的计算机仿真模拟,被证实其确实具有极高的强健性。

而且,组成背部铰链的并非是整块材质,而是富含蛋白质的多层材料。这些材料平时紧密地堆垛在一起,但一旦受到致命挤压,层间就会出现间隙,这些间隙又可以起到进一步释放应力从而保护铰链锁齿的作用。

总而言之,铁定甲虫的背部铰链在形态上最为复杂,锁齿的数目最多,锁齿的大小最均一,反映到宏观上就是这种结构最能分散应力,从而最能承力。

在腹部护甲和两块背部护甲的连接处,铁定甲虫的不同连接部位,不光采用铰接的形式,还有类似于弹簧的松散结构。这些 ” 弹簧 ” 间本身没有硬连接,但是它们极大的活动范围为铁定甲虫在受压时提供了良好的吸能效果。

不得不说,铁定甲虫真是浑身上下都散发着工业硬核范儿。

铁定甲虫背部的空腔以及侧面的 ” 铰链 ” 和 ” 弹簧 “,来源:参考文献 1

仿生研究界的新明星

科学研究最为纯粹的意义当然是探寻未知,比如回答铁定甲虫为什么如此抗造这一问题。在得到答案后,科学研究又会自然而然地转向如何利用这些所发现的规律为人类发展谋求新可能。科学家们研究铁定甲虫当然不是纯粹为了满足好奇心,而是希望借助揭开这种神奇生物的秘密来找到可供人类利用的新点子。

铁定甲虫特殊的铰链构造无疑是科学家们发现的一处新宝藏。虽然它的形态还没牛到突破人类想象力的程度,但历经数亿年进化考验的这种铰链,明显有其存在的合理性。在进行类似的材料连接时,如果我们把接头做成与其类似的锁齿,再让它们相互铰接,就很可能获得无需焊接就能达到极高强度的连接结构。

利用铁定甲虫 ” 铰链 ” 结构设计的航空发动机叶轮固定方式,来源:参考文献 1

完全抛弃了飞翔的铁定甲虫虽然失去了一定的移动自由,但特化的 ” 铁甲 ” 让它们获得了惊人的生命力,钢针、鸟喙、手捏都是小 case,甚至汽车都无法将它们碾毙。与很多只有数周寿命的甲虫相比,铁定甲虫的寿命长达 7、8 年,完全是甲虫进化的神迹。

与铁定甲虫类似,每一个存世的物种都有自己的处世之道和人生哲学,也都有人类值得学习借鉴的过人之处。生物资源的珍贵性之一就在于此,失去任何一个物种,对于人类而言损失的都将是无限的可能性。

绚丽多彩的甲虫们,来源:维基百科 ” 甲虫 ” 条目

参考文献:

1.Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2813-8

2.Scientists reveal how diabolical ironclad beetle can bear huge weights

https://www.theguardian.com/environment/2020/oct/21/scientists-reveal-diabolical-ironclad-beetle-bear-huge-weights

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