瓢虫为什么不敢用水洗澡？丨展卷

文章插图
生命的哪些特征是由物理学定律决定的，又有哪些特征只是由掷色子般的偶然事件决定的呢？在提及生命及其演化时，这仍然是最突出且最有趣的谜题之一。英国爱丁堡大学天体生物学家Charles Cockell为本科生定下的一个小课题“研究瓢虫身上的物理定律”进一步让我们相信：地球生物看似极为丰富多样，但背后都遵循着适用于所有物质的简单原则。
本文经授权摘选自《生命的实验室》（中信出版社）第四章“瓢虫与物理学”，有删节，标题为编辑所加。点击“返朴”公众号文末“原文链接”可购买此书。前往“返朴”公众号，点击“在看”并发表您的感想至留言区，截至2021年2月27日中午12点，我们会选出两条留言，每人赠书一本。
撰文 | Charles Cockell
翻译 | 张文韬、叶宣伽、张雪
我们院系向本科生开设了一门名为“小组合作项目”的课程。在这门课上，我们鼓励学生们找到他们感兴趣的研究课题，并用一个学期的时间来深入探究，希望他们从中学到一些新的东西。
把研究对象从生命群体转向某个单一生命体，探究哪些科学定理和方程默默支撑着生命的运转，我觉得这是一个好的研究课题。2016年冬天，我为我指导的研究小组定了一个小目标，用几个月的时间研究瓢虫身上的物理定律 。具体来讲，他们需要认真观察瓢虫的每个身体部分和它们生活的各个方面——它们保护翅膀的背壳有多硬？瓢虫是怎样呼吸的？它们如何在草丛间飞翔，又如何在叶片上爬动？然后，我会让他们写下塑造瓢虫身体结构的物理定律和方程，并解释这些方程是如何与瓢虫的生活习性息息相关的。概括地讲，我希望我的研究小组去探究如何用物理定律和方程式去解释一只瓢虫的一切。这并不是一个简单的工作，早在我给学生们布置这个任务的时候，我就知道这个课题涵盖的知识面极其广阔，我随手就能列出一堆其中必然涉及的相关物理知识，比如空气动力学、扩散、移动，或是热惯量，等等。果不其然，这个课题带给学生们一段独特的体验，帮助他们从多方面理解了生命中的物理学。
让我们从瓢虫的腿开始说起。虽然看上去很简单，但在这微小的肢体中暗含着无数奇妙的物理知识。瓢虫的每条腿上都有3个关节 (人只有两个)，这让它们的腿可以扭成许多有趣的形状。由于活动的自由度很大，所以在关于“怎么放腿”这个问题上，瓢虫可以在更大的范围内做出选择。瓢虫的脑袋里就像有一台电脑，它不停地工作，结合风速、接触物表面的平滑度、叶片的大小等所有需要考虑的细节，决定如何移动或是摆放这6条异常灵活的腿。
对于瓢虫来说，迈出的每一步都得保证自己抓住表面 (比如抓住游客竖直的手的时候) ，不然它就会掉下去。与蜘蛛、蜥蜴或其他种类的甲虫一样，瓢虫的足底有一层由细毛组成的软垫，这层细毛被称作刚毛，能够帮助瓢虫或其他生物附着在物体表面。瓢虫必须确保刚毛与自己选择的落脚点紧密接触，为此，它们会从足底分泌出一层非常薄的液体。在昆虫的微小尺度上，这层液体的黏度和毛细作用可以产生巨大的黏附力。与此同时，这层液体还能填充瓢虫足底与不平整表面之间的细小空隙，使瓢虫像是站在真正的平地上一般。这层液体不能太厚，只有薄层液体才能提供足够的摩擦力以克服地心引力，防止瓢虫从竖直的物体表面滑落。
结合上述所有关于瓢虫足部和足底分泌黏液特性的新知识，我们甚至可以写出一个方程式来定量描述某只瓢虫足部能够产生的总黏附力。有了这个方程式，我们就可以一窥瓢虫是如何征服各种千奇百怪的地形的。我们写出的方程式如下:

以上关于本文的内容，仅作参考！温馨提示：如遇健康、疾病相关的问题，请您及时就医或请专业人士给予相关指导!

「四川龙网」www.sichuanlong.com小编还为您精选了以下内容，希望对您有所帮助：