虫子不用腿能跳起来吗?

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虫子不用腿能跳起来吗?

图片:PIRO4D / CC0

Mr-HH,细胞生物学/遗传学/普通生物学科普

不用腿就可以跳起来的虫子,我之前介绍过一个:叩甲(Elateridae,Click beetle)。这是一种仰面朝天的时候,通过背部弯曲及和关节「锁闩」,就可以轻松跳起来翻身的虫子。详细可以看下面:

为何昆虫不慎仰面朝天时若不及时翻身可能马上死亡?

但今天想跟大家介绍一个不一样的,不需要用脚,但是也能跳起来的虫子。

昆虫的成虫都有 6 条足,而对于部分完全变态发育的昆虫而言,它们的幼虫(larva)大多都是矮胖的蛆虫状,它们不像成虫一样有灵活的六肢,只有一些短胖的前足和腹足,靠着蠕动状来爬行。

地中海实蝇(Ceratitis capitata)幼虫(图片来源:参考文献 [2])

但你能想象这种矮胖的蛆虫也能跳起来?

最常见的像是果蝇的幼虫,相信应该有一些同学是见过的。早在 1992 年的时候就有一篇《Nature》的文章报道了果蝇幼虫弹跳的过程,而且据测量,果蝇幼虫的弹跳起始速度甚至达到了 1.17 m/s(相比跳蚤是 1.98 m/s,叩甲是 2.4 m/s)[1]。上图所示就是这种幼虫的样子[2]

地中海实蝇(Ceratitis capitata)幼虫弹跳的过程(图片来源:参考文献 [1])

但是具体来说,这些蛆虫到底是通过一个什么结构来弹跳的呢?

最近,科学家通过高速摄像的方式,并通过扫描电镜观察,揭示了这些小蠕虫到底是怎么实现起跳的。

研究者们利用的是一种瘿蚊科(Cecidomyiidae)花椒瘿蚊属(Asphondylia sp.)虫子的幼虫,它们弹跳的过程如下图所示[3]

瘿蚊幼虫起跳的过程(图片来源:参考文献 [3])

首先是上面的A 图,这是环状形成的过程:这时身体的一端会固定在地上,然后弯曲自身形成一个环状;与此同时,另一端,也就是头部这一段会沿着地面滑动,直至尾端的尖部和头端腹侧接触上,形成一个「闩锁」结构。

B 图是环状收缩的过程:可以看到幼虫利用柔软的身体,开始变形、压缩、扭曲。这一部的作用在于使得体内的体液得到加压,可以储存弹性能量。

C 图、D 图当起跳的时候,「闩锁」被释放,而此时身体的尾端充当了一个「短暂的腿部结构」,用以施压地面,并向上推动虫体的头端,使幼虫在空中沿着抛物线发射、旋转。

这一个发射过程,幼虫最高可跳跃12.1 厘米的高度,是其体长的 36 倍,起跳的速度约为 0.97 m/s,而发射的功率密度平均达到了 910 W/kg(最大甚至达到了 2420 W/kg)。

尽管说它们没有腿也没有坚硬的外骨骼,但是这样的「起跳成绩」可以说一点不逊色于跳蚤和叩甲。甚至它们的质量比功率输出,也已经超过了脊椎动物飞行肌肉的已知能力(例如说 400 W/kg),要知道驱动这一过程的是弹性机制,而非依靠肌肉动力。

瘿蚊幼虫起跳过程中的「闩锁」结构(图片来源:参考文献 [3])

至于说关键的「闩锁结构」,显微照片显示,在头部腹侧和尾部上都有一块微米级别的指状突起区域,这些绒毛状突起可能会集体黏在一起形成「闩锁」

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