作者:  陳欣泓

編輯：小柒

對(duì)于許多陸地小動(dòng)物來(lái)說(shuō)，“潛水”是個(gè)極具挑戰(zhàn)的項(xiàng)目，別說(shuō)“潛”，光是被水淋濕，就會(huì)變得極其狼狽了——

比方說(shuō)，對(duì)于汪星人來(lái)說(shuō)，效果會(huì)是這樣↓

碰水后帥氣不再的狗。 圖片來(lái)源：reddit。

喵星人呢，會(huì)變成這樣↓

風(fēng)范盡失的貓主子們。圖片來(lái)源：popbee.com。

那么，對(duì)于小蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，是怎樣一種情形呢？

水上漂的水蟋蟀(Velia caprai)。圖片來(lái)源：uk-wildlife.

乍看上去，昆蟲(chóng)們似乎可以淡定的在水面“凌波微步”，并不會(huì)“濕身”，然而，如果你將它們強(qiáng)行摁進(jìn)水里就會(huì)發(fā)現(xiàn)，大部分昆蟲(chóng)­­­還是會(huì)變得濕漉漉，被困水中，無(wú)法掙脫，比你家汪/喵主子也好不到哪兒去。

濕身之后被困在水里的昆蟲(chóng)。圖片來(lái)源flickr

但是！這種事兒對(duì)于生活在莫諾湖畔（Mono Lake）“身懷絕技”的小蟲(chóng)—— 堿蠅 （Ephydra hians）來(lái)說(shuō)，就得另當(dāng)別論了。

就連大文豪馬克·吐溫在150年前就在莫諾湖邊發(fā)出感慨：“你可以把它們隨意地放在水中，無(wú)論多久都行，它們一點(diǎn)都不在意，而只會(huì)為此感到驕傲” ， “當(dāng)你在水中放開(kāi)它們的一刻，它們輕松地浮上水面，出水時(shí)比一份剛出爐的專利局文件還干燥” [1] 。

一只潛水后悠哉地浮上水面的堿蠅 。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]

“空氣潛水服”的秘密

那么，這些堿蠅到底是如何化身即時(shí)“潛水艇”，做到入水而不濕的？

仔細(xì)觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，堿蠅沿石灰?guī)r爬入水中時(shí)， 會(huì)在自己的身體和翅膀周圍形成一個(gè)氣泡，就像在入水的一刻給自己穿上了一套自助的“空氣潛水服”。 大部分身體都會(huì)被包裹其中，只留下口器用來(lái)吃飯。

在水底吃飽喝足之后，它會(huì)松開(kāi)小爪脫離石灰?guī)r，讓自己上浮，在到達(dá)水面的一瞬間， “潛水服”自動(dòng)破裂，堿蠅也順勢(shì)飛離水面。

身著“空氣潛水服”的堿蠅。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

Mono Lake中正在潛水的堿蠅 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

堿蠅的潛水神功，不由得令人心生羨慕，而這個(gè)不起眼的小家伙兒，到底因何獲得“空氣潛水服”，一直以來(lái)都是個(gè)謎……

為了破解這個(gè)謎團(tuán)，，加州理工學(xué)院的Michael Dickinson教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，尋著當(dāng)年馬克吐溫的足跡，又一次拜訪了莫諾湖，希望能揭開(kāi)堿蠅這套“空氣潛水服”背后的秘密。

Michael Dickinson。教授圖片來(lái)源：dickinsonlab.caltech.edu

當(dāng)他們到達(dá)莫諾湖后發(fā)現(xiàn)，這里雖然風(fēng)景美輪美奐，但湖水堿性很強(qiáng)，只有極少數(shù)的藻類能夠生存，但是堿蠅似乎在此生活得逍遙自在（不愧是“堿”蠅啊！）。勘察一番后，他們決定從湖水成分和堿蠅身體這兩個(gè)角度著手進(jìn)行研究。

美麗卻暗藏殺機(jī)的Mono Lake。圖片來(lái)源：photorator

在正式試驗(yàn)開(kāi)始前，需要有可定量的指標(biāo)和裝置來(lái)衡量我們實(shí)驗(yàn)對(duì)象的“濕身程度”。我們可以想象，如果我們的測(cè)試對(duì)象在水中越“濕”，那么其離開(kāi)水面時(shí)就會(huì)更“拖泥帶水”，所做的功也會(huì)越大。

為此，Michael團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的裝置，將昆蟲(chóng)固定在小棒后將昆蟲(chóng)“摁入”水中，隨后再將其拉出水面，在這個(gè)過(guò)程中結(jié)合光學(xué)感應(yīng)設(shè)備來(lái)測(cè)定昆蟲(chóng)進(jìn)入水面與離開(kāi)水面所需要的功，從而反映實(shí)驗(yàn)對(duì)象的濕身程度。

測(cè)定出入水面所需力的裝置圖及數(shù)據(jù)示例。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

Michael團(tuán)隊(duì)首先想看看莫諾湖水有何特別之處，是否有一些成分讓堿蠅保持不濕。然而，他們出乎意料地發(fā)現(xiàn)湖水中含有大量的Na 2 CO 3 ，比其他普通的湖水還更易“濕身“，實(shí)驗(yàn)中各種與堿蠅體長(zhǎng)類似的蠅類在這樣的湖水中都變得非常“濕” [3] ，進(jìn)入水中后就難以逃脫。

各類蠅類的濕身程度, Recovered Work越小，“越濕” （紅框內(nèi)是堿蠅）。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

在湖水中濕了身的海帶蠅。 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

看來(lái)，湖水只能“幫倒忙”，沒(méi)啥實(shí)際作用，核心技術(shù)一定還是由堿蠅自身掌握。

肉眼看不出什么區(qū)別，那就放大了再觀察？

因此研究者們用掃描電鏡給包括堿蠅在內(nèi)的其他蠅類拍了個(gè)高清照，他們發(fā)現(xiàn)相比于其他蠅類，堿蠅表面覆蓋著的剛毛最為密集。

“發(fā)量良好” 會(huì)是堿蠅不怕濕身的原因嗎？

隨后的分析發(fā)現(xiàn)， 擁有更多剛毛的蠅類濕身程度較低。 但是，這似乎只是讓堿蠅“不濕身”的因素之一，堿蠅的雖然剛毛密度最大但也只比海帶蠅（Fucellia rufitibia）多了15%，但防水效果卻比海帶蠅好太多。

各種蠅類表面的顯微結(jié)構(gòu)（紅框內(nèi)的堿蠅表面有密集剛毛）。 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

那么，還有沒(méi)有別的原因呢？

研究團(tuán)隊(duì)接下來(lái)對(duì)堿蠅剛毛表面泛著光澤的貼身“護(hù)甲”產(chǎn)生了興趣——他們利用氣相色譜／質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GCMS）對(duì)這層護(hù)甲進(jìn)行了化學(xué)成分分析， 發(fā)現(xiàn)其中大部分為二十五烷及二十七烷這兩類長(zhǎng)直鏈烷烴，這與其他蠅類均不相同。

難道這才是堿蠅不濕身的真實(shí)答案嗎？

破案心切的研究團(tuán)隊(duì)把這些堿蠅泡在己烷里洗了個(gè)澡，將這些長(zhǎng)直鏈烷烴全部洗掉再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，果然， 沒(méi)了護(hù)甲的堿蠅在莫諾湖的湖水中瞬間失去了平日的神氣，入水之后就像其他蠅類一樣濕了身。

堿蠅表面主要覆蓋的是直鏈的二十五烷和二十七烷 。 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

為啥長(zhǎng)直鏈烷烴“護(hù)甲”可以幫堿蠅防水？

其實(shí)，液體與粗糙表面相互接觸時(shí)主要有兩種狀態(tài)： 一種狀態(tài)是Wenzel狀態(tài)——表面間隙被液體填充，從而讓整個(gè)固體表面變得很濕（類似你家主子）。另一種狀態(tài)是Cassie-Baxter 狀態(tài)——粗糙表面的間隙由氣體填滿，類似于堿蠅的那層“氣體潛水服”；

固液接觸時(shí)的兩種狀態(tài)。 圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

固液接觸后具體出現(xiàn)哪種狀態(tài)，取決于接觸面的電荷相互作用等因素。如在高濃度碳酸鈉的湖水中，大多數(shù)昆蟲(chóng)體表與湖水間的靜電吸引力強(qiáng)，呈現(xiàn)出了Wenzel狀態(tài)，從而導(dǎo)致濕身； 而堿蠅表面的密集剛毛與長(zhǎng)直鏈烷烴護(hù)甲有效地減少了堿蠅表面與湖水間的靜電吸引力，從而呈現(xiàn)出了Cassie-Baxter狀態(tài)，給予了堿蠅這層“空氣潛水服”。

這種酷炫的潛水方式 ，其實(shí)是堿蠅為了適應(yīng)極端環(huán)境進(jìn)化而來(lái)的，搞清了它的機(jī)制，也可以為新型疏水材料的開(kāi)發(fā)提供思路。

什么都阻擋不了堿蠅下水尋找食物的決心！

研究花絮：

在莫諾湖的考察過(guò)程中，科研人員無(wú)意發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象——只要他們站在離湖邊近的地方，這附近的湖面上就會(huì)有一些堿蠅失去了“不濕身”的能力，在進(jìn)入水中后就被困住了。

一開(kāi)始他們也十分疑惑，難不成是堿蠅怕人被嚇到了？直到看到己烷浴池對(duì)堿蠅的作用后，他們才聯(lián)想到，可能是當(dāng)時(shí)自己身上含有油類的防曬霜惹的禍！

由于天熱，防曬霜會(huì)隨著汗液滴落到附近的湖水中，將一些油類物質(zhì)帶進(jìn)湖水，溶解了堿蠅身上的直鏈烷烴，最終導(dǎo)致這些堿蠅不幸濕身。

感謝石悅琳，丁霄哲兩位同學(xué)對(duì)本文修改提供的幫助。

 

作者名片

 

 

排版：小爽

題圖來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2]

參考文獻(xiàn)：

[1] 翻譯自馬克·吐溫的半自傳體小說(shuō)《Roughing it》一書(shū)。

[2] Van, F. B., & Dickinson, M. H. (2017). Superhydrophobic diving flies (ephydra hians) and the hypersaline waters of mono lake. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(51), 201714874.

[3] 有觀點(diǎn)認(rèn)為昆蟲(chóng)的體長(zhǎng)能夠影響其接觸水時(shí)的表面張力，從而影響其出入水的能力。

 

 

不會(huì)飛行的吃貨不是好潛水員，它憑啥能飛能潛、從不濕身？

圖文簡(jiǎn)介

“空氣“空氣潛水服”的秘密服”的秘密