為什麼人類無法真正「飛簷走壁」，但是許多昆蟲都能輕鬆地停在豎直牆面上？以瓢蟲為例，雖然它們的世界和我們有著相同的物理規律，但在這個尺度上，分子間的作用力對它們的影響遠大於重力。有得必有失：瓢蟲很容易被水粘住，人類和許多動物十分享受的洗澡對它們來說可能足以致命。
本文節選自《生命的實驗室》，贈書規則見文末。
作者：(英) 查爾斯·科克爾 著
譯者：張文韜, 葉宣伽, 張雪
出版品牌：中信出版·鸚鵡螺
作者簡介
查爾斯•科克爾（Charles S. Cockell），英國愛丁堡大學天體生物學教授，英國天體生物學中心主任。多年來，他致力於對惡劣條件下的生命特徵、外星生物的宜居性，以及太空探索和移居等課題的研究。他曾在美國國家航空航天局和英國南極觀測站工作，對北極和南極以及其他惡劣天氣環境下的生命特徵都有研究，發表過 300 多篇論文和多部著作。
內容概要
人類以及其他生命形式誕生於地球到底是一種偶然，還是一種必然？在其他星球上，是否能夠形成與人類及其他地球生物相提並論的生命形式？如果在遙遠的星球真的存在生命，那種生命與地球上的生命有什麼聯繫和共同點嗎？通過思考地球之外的生命是否會遵循與地球相同的演化路徑，是否會採取與地球生命不一樣的結構和形態，天體生物學研究也為思考地球生命背後的普遍原理提供了啟迪。
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我們院系向本科生開設了一門名為「小組合作項目」的課程。在這門課上，我們鼓勵學生們找到他們感興趣的研究課題，並用一個學期的時間來深入探究，希望他們從中學到一些新的東西。
把研究對象從生命群體轉向某個單一生命體，探究哪些科學定理和方程默默支撐著生命的運轉，我覺得這是一個好的研究課題。2016 年冬天，我為我指導的研究小組定了一個小目標，用幾個月的時間研究瓢蟲身上的物理定律。具體來講，他們需要認真觀察瓢蟲的每個身體部分和它們生活的各個方面——它們保護翅膀的背殼有多硬？瓢蟲是怎樣呼吸的？它們如何在草叢間飛翔，又如何在葉片上爬動？然後，我會讓他們寫下塑造瓢蟲身體結構的物理定律和方程，並解釋這些方程是如何與瓢蟲的生活習性息息相關的。
概括地講，我希望我的研究小組去探究如何用物理定律和方程式去解釋一隻瓢蟲的一切。這並不是一個簡單的工作，早在我給學生們布置這個任務的時候，我就知道這個課題涵蓋的知識面極其廣闊，我隨手就能列出一堆其中必然涉及的相關物理知識，比如空氣動力學、擴散、移動，或是熱慣量，等等。果不其然，這個課題帶給學生們一段獨特的體驗，幫助他們從多方面理解了生命中的物理學。
圖片來源：Pixabay
讓我們從瓢蟲的腿開始說起。雖然看上去很簡單，但在這微小的肢體中暗含著無數奇妙的物理知識。瓢蟲的每條腿上都有 3 個關節（人只有兩個），這讓它們的腿可以扭成許多有趣的形狀。由於活動的自由度很大，所以在關於「怎麼放腿」這個問題上，瓢蟲可以在更大的範圍內做出選擇。瓢蟲的腦袋裡就像有一臺電腦，它不停地工作，結合風速、接觸物表面的平滑度、葉片的大小等所有需要考慮的細節，決定如何移動或是擺放這 6 條異常靈活的腿。
對於瓢蟲來說，邁出的每一步都得保證自己抓住表面（比如抓住遊客豎直的手的時候），不然它就會掉下去。與蜘蛛、蜥蜴或其他種類的甲蟲一樣，瓢蟲的足底有一層由細毛組成的軟墊，這層細毛被稱作剛毛，能夠幫助瓢蟲或其他生物附著在物體表面。瓢蟲必須確保剛毛與自己選擇的落腳點緊密接觸，為此，它們會從足底分泌出一層非常薄的液體。在昆蟲的微小尺度上，這層液體的黏度和毛細作用可以產生巨大的黏附力。與此同時，這層液體還能填充瓢蟲足底與不平整表面之間的細小空隙，使瓢蟲像是站在真正的平地上一般。這層液體不能太厚，只有薄層液體才能提供足夠的摩擦力以克服地心引力，防止瓢蟲從豎直的物體表面滑落。
結合上述所有關於瓢蟲足部和足底分泌黏液特性的新知識，我們甚至可以寫出一個方程式來定量描述某隻瓢蟲足部能夠產生的總黏附力。有了這個方程式，我們就可以一窺瓢蟲是如何徵服各種千奇百怪的地形的。我們寫出的方程式如下:
F黏附 =2πγR +πγ(2cosθ/h – 1/R)R2 +dh/dt3πηR4/2h3
在這個方程式中，F黏附表示黏附力的大小，γ 是昆蟲足底液體的表面張力，R 是足底的半徑（為簡化計算，將足底視作理想情況下的簡單圓形），η 是液體的黏度，h 是液體的厚度（從昆蟲足底至物體表面的距離），t 是接觸的時間。等式右邊的 3 項從左到右分別代表表面張力、拉普拉斯壓力以及黏性力的大小。（拉普拉斯壓力是曲面所受的內外壓力差，由氣–液界面的表面張力引起。——譯者注）
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但如果瓢蟲想在多變的不規則地形上自由行動，還會面臨另一個問題。對於昆蟲來說，想要支撐軀幹不至於倒下，腿必須很堅硬，但同時它們也希望腿部能有一些柔韌性，這樣在一些不規則的物體表面，瓢蟲才能夠更加靈活地移動。瓢蟲腿部含有的節肢彈性蛋白就是為了達到這個目的。節肢彈性蛋白是一種有彈性的生物多聚體，這種蛋白能為跳蚤等昆蟲提供跳躍所需的彈力，也能幫助其他昆蟲完成肢體的柔性扭曲。節肢彈性蛋白的濃度會隨著腿部高度的升高而降低，越靠近地面（靠近肢體末端）的部分濃度越高，保證為跳躍或移動提供彈性；而越遠離地面（靠近軀幹）的部分濃度越低，保證腿部足夠堅硬以支撐軀幹。靠近軀幹的部分還含有較多的幾丁質，幾丁質是一種堅硬的含氮多糖物質，是昆蟲其他部分的外骨骼的組成部分。幾丁質能夠增加材料的楊氏模量，這種物理量被用來衡量材料的剛性程度。在這個例子裡，我們可以看出，為了獲得適應各種地形的行動力，昆蟲的身體結構和物理組成變得更加適應生活環境。
幫助昆蟲黏附在表面的力固然重要，但是昆蟲也必須能夠把腿抬起來——不然，瓢蟲在落地以後就只能死死地粘在一個位置上，徒勞無功地扯動自己的六腿與黏附力做鬥爭。另一個簡單的物理公式能夠表示出掙脫黏附力所需的能量（W）：
W = F2NAlg(θ) / 2πr2E
在上述公式裡，NA 是足底的剛毛密度，l 是剛毛的長度，E 是剛毛的楊氏模量，r 是剛毛的半徑。g(θ) 描述了剛毛與接觸物表面的夾角，可以通過 g(θ) = sinθ[4/3(l/r)2cos2θ + sin2θ] 這個公式算出。
故事到現在還沒有結束：昆蟲要想附著在物體表面，雖然剛毛是必需的，但是也不能太多——面積一定的情況下，如果剛毛的數量太多，它們的排列就會過於緊密，不同的剛毛就會卡在一起。所以不同的剛毛之間必須保持一定的距離，讓彼此的相互作用力不至於過大，同時在滿足上述條件的情況下，分布得越密越好。下面的方程給出了理論上剛毛能夠達到的最大密度：
最大NA ≤ 9π2r8E2/64F2l6
F 是單根剛毛的黏附力。
在真實情況下，昆蟲還演化出了許多小花招來增加剛毛的排列密度。比如只讓剛毛的一側帶有黏性，這樣就能夠大大減少相鄰剛毛粘在一起的概率。許多昆蟲的腳上還長有突刺和結節，幫助不同的剛毛彼此分離。
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在演化的過程中，昆蟲必須要學會這樣的技能：既能保證自己牢牢抓住地面，又能在想要移動的時候迅速把腿抬起來。而昆蟲腳上的剛毛恰好是為實現上述生物學功能而產生的。不得不說，這是一個非常精巧的範例，展現了可用方程式表達的簡單物理學原則如何精細調整了生命形式。
其實對於所有的昆蟲而言，它們的支持器官都必須在「抓緊地面」與「離開地面」之間取得平衡，而只要昆蟲具有這樣的生理需求，它們所需克服的物理障礙就是類似的。而對於同樣的物理問題，所能求得的最優解的數量是有限的，所以就算不同的昆蟲之間沒有相近的親緣關係，各自獨立演化，最後也會演化出功能相似的生理結構。這種現象叫作趨同演化：物理學原理限制了生物學結構的可選擇範圍，所有昆蟲都存在某些趨同關係，無論它們的結構各自分開來看多麼複雜且令人目不暇接，從功能上都能被還原到簡單的原理。
像你我這樣的人，可能一時之間還無法深入理解小型昆蟲在牆面這樣的豎直表面，甚至葉片反面或天花板那樣的倒立表面上行走的奇妙之處。並不是只要在足底分泌一層薄薄的黏液，我們也能夠在豎直的牆面上行走了。在這個問題上，我們必須考慮作用力的尺度。以人類的尺度而言，重力起到了主導作用，在我們邁出豎直攀爬的第一步之前，地心引力就會無情地把我們拉回地面。可是瓢蟲的質量僅僅是我們的 25 000 分之一，在這個尺度上，佔主導地位的就是像表面張力、毛細作用力、範德華力這樣的分子作用力了。正是利用一些影響分子作用力的小技巧，瓢蟲才得以黏附在牆壁上。當然這並不是說瓢蟲不會受到重力的影響，當它們從牆上或樹葉上掉下來的時候，它們也會像我們一樣落到地面，只是速度慢了一些，受到的傷害也更小。在地球上，一切物體都會受到重力的作用，只是以大多數昆蟲的個頭而言，分子作用力發揮著主導作用，而不是重力。
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然而，有得必有失。儘管瓢蟲可以僅憑藉一層薄薄的液體就附著在牆面上，但為它帶來這些好處的分子作用力和作用定律也同時為它帶來了一些不利之處。當我們或其他大型動物需要清潔身體的時候，我們可以淋浴、泡澡，或者直接跳進距離最近的水塘就行。在我們結束清洗的時候，由於重力的作用，大部分水珠都會直接從身上滑落，只有一些薄薄的水層或幾滴水珠還掛在身上。狗會甩動自己的身體把水珠甩走，人類會用毛巾把水擦乾。就算兩個辦法都不可行，只要等待一段時間，這些水也能自然蒸發掉。
在這個問題上，瓢蟲則需要更小心，就算是一小滴水也會死死地粘住它們。這滴水所產生的表面張力對它來說太大了，即使瓢蟲的腿就它們的體積而言已經極為強壯，也無法將這團水從自己的身上推開。一些體積更小的昆蟲（比如螞蟻）甚至完全有可能被一滴水困住。水滴表面的水分子之間的吸引力形成了一個由表面張力構成的「水牢」，將螞蟻困在水滴的內部無法掙脫。由於類似的原因，許多昆蟲（尤其是小型昆蟲）會選擇通過「乾洗」的方式清潔自身。它們用自己堅硬的腿刮去身上的灰塵和髒東西，避免落入可怕的水之陷阱。
在現實生活中，有許多非常明顯的事情，我們有時會覺得它們是理所當然的，也不會對它們產生過多的興趣，比如蒼蠅和瓢蟲可以停在豎直的表面，而人類卻不行。不過這個現象卻反映出，我們和瓢蟲生活在兩個尺度不同的世界。毋庸置疑的是，瓢蟲的世界和我們的世界共用一套物理法則，只不過在不同的尺度範圍內，佔主導地位的是不同的作用力。這同一套物理法則解釋了生物功能與形態方面的眾多現象。在我們分析瓢蟲腿部的設計、小型昆蟲洗澡的方式，或者人類與瞪羚運動極限的時候，沒有任何一個細節是可以忽略的。然而，光是探索演化中的偶然歷史事件，無法幫助我們理解演化的極限與可能性。
如果讓演化重來一次，生命的模樣可能會與現在完全不同，那些我們所注重的細節就會失去意義；但是無論如何，生命肯定還是遵循著基本的物理學定律。所以，若是從基礎物理學原理的角度去看待和研究生物現象，我相信我們能夠獲得更多根本性的收穫。
在大自然中形形色色的生命身上，你還觀察到哪些有趣的現象？你認為物理學定律對生命的影響還體現在哪些方面？
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