长着“机器”的小生物

2021-11-30

大自然探索 2021年10期

虽然自然界的一些生物体形很小，但是它们身体里竟然有非常复杂的控制系统或机械结构，其中不少与人类的发明不谋而合，这不能不让人感慨进化的神奇。

蜡蝉的生物“齿轮”

齿轮由于传动效率高、传动比准确、功率大，成为一种在工业产品中广泛应用的机械元件，在汽车、手表和铰链等的内部都有齿轮的身影。有意思的是，英国科学家最近首次在一种动物——蜡蝉身上发现了类似齿轮的结构。动物一般以跳跃的方式进行快速移动。为了逃离险境，蜡蝉跳得不但快而且远，而这种超群的跳跃能力离不开它们腿部的“齿轮”。

体形较大的动物一般通过神经系统来控制跳跃：当腿部撑开进行跳跃时，必须通过稳定的调节和反馈回路来保持双腿同步，否则动物就会失去控制。而蜡蝉双腿肌肉的收放速度比神经信号的传递速度更快。在跳跃过程中，蜡蝉将两只后腿锁定在准备跳跃的位置（两腿运动的同步精度达到了30万分之1秒），并绷紧身体积攒势能。在它两只后腿的顶部，有一对鱼翅状的小“齿轮”像拉链一般整齐地互相咬合，在短短2毫秒内，蜡蝉可以以普通家用轿车最大起步加速度82倍的加速度向前弹出，最高瞬时速度超过每小时12.8千米。这个速度看上去也许并不惊人，但蜡蝉的体长不到2.5毫米，如果将蜡蝉等比例放大到汽车大小，蜡蝉的最高运动速度将超过每小时1万千米。

蜡蝉并不是在整个生命周期里都具备这对“齿轮”。在幼年期，蜡蝉会进行六七次蜕皮，更新包括“齿轮”在内的外骨骼。但在蜡蝉最后一次蜕皮成为成虫之后，这对“齿轮”会消失。成年蜡蝉通过摩擦使双腿在跳跃时同步。虽然像蜡蝉这样的跳跃昆虫还有很多，但只有蜡蝉具有天然的生物“齿轮”。

蜡蝉及其生物齿轮

细菌的鞭毛“马达”

细菌和一些原生生物依靠鞭毛在液体中移动或入侵宿主。细菌鞭毛的长度通常是菌体长度的若干倍。细菌鞭毛自细胞膜长出，游离于细菌细胞外，由远端的鞭毛丝、近端的鞭毛钩和埋置在细胞壁和细胞膜中的基体（一种起着旋转引擎作用的驱动蛋白）组成。鞭毛丝位于鞭毛钩以外的远端部分。鞭毛钩是连接鞭毛丝和基体的部分。基體连接于鞭毛钩的近端，是鞭毛中最复杂的结构，保护一条中心杆和与其相连的2～4个环。

细菌的鞭毛是螺旋状的纤维，像螺丝一样旋转，其运动方式属于生命系统中的旋转运动。而真菌走上了和细菌不同的演化道路——真菌的鞭毛是弯曲运动。在细菌鞭毛的底部，基体不仅起固定作用，而且是鞭毛运动的关键部件。鞭毛丝是半坚硬的“螺旋桨”，推动细菌前进。鞭毛钩比较灵活，相当于鞭毛的“万能关节”。中心杆穿过L、P、S环（这三个环固定在细胞壁和细胞膜上，起轴承的作用），可以自由转动，相当于“传动杆”。M环固定在中心杆的向心末端，相当于鞭毛的“马达”。鞭毛“马达”旋转并将扭矩传输给接头装置，然后传给鞭毛丝，从而带动鞭毛丝的转动。细菌鞭毛1秒钟可跑相当于自身长度数十倍的距离，远超地球上跑得最快的动物猎豹。细菌鞭毛还是自然界最小的旋转纳米马达之一，每分钟“转速”可达上万转。

细菌鞭毛及其原理示意图

甲虫体内的“化学反应室”

炮射步甲是鞘翅目肉食亚目步甲科的昆虫。炮射步甲为了生存，进化出了昆虫界的“高温化学武器”——炮射步甲会喷发出高温的有毒液体攻击敌人。然而，这种凶猛昆虫的体长仅1厘米左右。

虽然炮射步甲体形小，但这种小虫子很不好惹。它们的腹部尾端有两个独立的臀腺系统，其中每个臀腺有1个储存室、 1个反应室和流出通道。存储室内有无害的反应溶液。当炮射步甲受到惊扰或者遇到危险时，两个腔室内的溶液（过氧化氢、对二苯酚）在反应室内快速反应，形成有毒的苯醌。同时，反应过程中的液体温度快速升高，反应室内部压力也迅速升高，使滚烫的苯醌瞬间喷射而出，快速灼伤或者杀死敌人。

炮射步甲喷射高温毒液

炮射步甲体内反应示意图

虽然毒液射程只有几厘米，但是喷射速度可达10米/秒。在喷射瞬间，苯醌的最高温接近100 ℃，再加上苯醌对节肢动物的眼及呼吸系统有刺激作用，所以这种物质可以有效击退射炮步甲的敌人。若人的皮肤沾上这种有毒液体，会立刻被灼伤，红肿疼痛，皮肤还会留下难闻的气味。毒液喷出时伴有“砰”的声响，高温的毒液遇到冷空气时迅速液化，产生一大团雾，就像大炮发射后产生的烟雾。

为何高温毒液不会烫伤炮射步甲自身呢？这是因为甲虫身体内部的管路已经进化出了能够经受一定高温的保护剂，而且喷射速度快、频率高（每秒钟可喷射500次）的高温液体在体内的停留时间很短，几乎不会伤害炮射步甲身体内部组织。

蚊子口器的“自控系统”

蚊子的口器其实有6根“针”

炎热的夏季，当你忙着赶走叮咬你的蚊子时，有没有产生一丝好奇：它究竟是如何吸走你的血的？雄蚊不会咬人，吸血的都是雌蚊。那么，蚊子吸血是不是將针管插进血管，吸饱血后就离开？其实，蚊子吸血的过程并不是那么简单。

蚊子的针状口器可不是简单的一根管子，而是一个很复杂的“自控系统”。蚊子的口器由6根细长的针组成。平时我们见到的蚊子“嘴”其实是蚊子的下唇，它像注射器的帽盖一样包裹着内部的其他结构，只在吸血时“针管”才会出“盖”。当口器其他部分刺入皮肤时，下唇会折叠起来，但下唇前端始终紧贴皮肤，起到引导和辅助“针管”的作用。在“帽盖”里面，上颚和下颚是蚊子刺入皮肤的主要工具。上颚细长尖锐，下颚末端长有“刀片”和倒钩，“刀片”可以切割组织，倒钩可以防止“针管”在深入“钻探”的过程中打滑。

蚊子没有百分百命中血管的超能力，它们也需要经过一番摸索才能找到血管。蚊子触角和口器上携带的150多种受体蛋白质可以帮助蚊子找到适合吸血的动物，或者判断水塘是否适合蚊子幼虫生活。蚊子的上下颚可以在皮肉间自由地弯曲游走，寻找合适的毛细血管。一旦找到血管，上唇就负责吸血。在电子显微镜下，科学家发现，蚊子上唇的尖端简直就是复刻版的注射器头部。

蚊子通过舌把唾液注入人体，其中含有抗凝血和麻醉成分。在这些物质作用下，蚊子吸血时不会轻易被动物发现，并且吸取的血液也不会凝固。最后，上唇负责把动物的新鲜血液送进蚊子腹中。