瓢蟲為什麼不敢用水洗澡？丨展卷_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-02-21 15:24
生命的哪些特徵是由物理學定律決定的，又有哪些特徵只是由擲色子般的偶然事件決定的呢？在提及生命及其演化時，這仍然是最突出且最有趣的謎題之一。英國愛丁堡大學天體生物學家Charles Cockell為本科生定下的一個小課題“研究瓢蟲身上的物理定律”進一步讓我們相信：地球生物看似極為豐富多樣，但背後都遵循着適用於所有物質的簡單原則。
撰文 | Charles Cockell
翻譯 | 張文韜、葉宣伽、張雪
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。
把研究對象從生命羣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着生命的運轉，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，早在我給學生們佈置這個任務的時候，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。
讓我們從瓢蟲的腿開始説起。雖然看上去很簡單，但在這微小的肢體中暗含着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。瓢蟲的腦袋裏就像有一台電腦，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。
對於瓢蟲來説，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着在物體表面。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征服各種千奇百怪的地形的。我們寫出的方程式如下:
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。對於昆蟲來説，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着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。在這個例子裏，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脱黏附力所需的能量(W):
故事到現在還沒有結束:昆蟲要想附着在物體表面，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，分佈得越密越好。下面的方程給出了理論上剛毛能夠達到的最大密度:
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。
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。不得不説，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，占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。當然這並不是説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，分子作用力發揮着主導作用，而不是重力。
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着在牆面上，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説太大了，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脱。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颳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，占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，生命肯定還是遵循着基本的物理學定律。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。
……
在這一章裏，針對這隻小小的瓢蟲，我們進行了一次有趣的探索。在這個過程中，我們能夠體會到物理學與演化之間存在着一種不容忽視的深刻聯繫。在幾個月的調研之後，我課上的瓢蟲物理研究小組上交 一份報告，儘管在這份報告裏他們只討論了少數幾個物理定律，報告的長度就已經超過了 40 頁。我們甚至沒來得及詳細探查瓢蟲的觸鬚，這上面密集排列着各種感受器，能夠感知化學物質、周圍的物理環境，在飛翔時體察風速，甚至某些昆蟲的觸鬚還能識別聲音。針對這每一種能力，我們都能列出一系列方程式，並進行深入的分析。我們也沒來得及討論瓢蟲的進食，觀察它們的顎咀嚼的力學原理，弄清它們如何剪斷葉片、碾碎食物。進食過程一定包含着數不盡的物理學定理及作用力的參與，共同保證了瓢蟲的正常生活。説到食物的消化和吸收，又有一片新的領域能讓我們開拓：擴散、滲透，以及摩擦力，這些和其他作用力一起決定了昆蟲對於能量和營養物質的吸收效率，而這對於它們的成長和繁殖是不可或缺的。還有昆蟲的血液——血淋巴，它在微小的血管中循環，為細胞輸送營養物質、清除代謝廢物。
還有許多問題可以探索：昆蟲的肌肉背後藴含着什麼樣的物理學原理？它們如何儲存能量？它們的外殼藴含着怎樣的細節？瓢蟲的繁殖又與物理學有什麼樣的關聯？從卵到幼蟲再到成蟲，這些瓢蟲發育的各個時期呢？如果想要完全弄清楚這些問題，我想可能還需要三年甚至更多的時間。上面這些問題不屬於本書的討論範圍，但是本章中簡要探索的幾個方面已經足以支持我們的結論了。
我們看到，瓢蟲是一種極其複雜的生物。雖然它的質量僅僅只是太陽質量的 1033 分之一，但這小小的身軀裏利用的物理學定律比解釋恆星的結構和演化所需的物理學定律還要多。
這些物理學定律彼此間並不是獨立的，而是互相影響的。在演化的過程中，自然選擇作用於每一個生物，沒能成功利用這些定律儘可能促進繁殖的個體將會被自然淘汰。
以瓢蟲的背殼為例，它們微米級別厚度的翅膀必須使其安然度過一生中無數次的碰撞，任何一次意外都有可能撕裂和破壞它們。所以瓢蟲需要堅硬的厚殼，幫助它們應對户外生活的撞擊和種種意外情況。不過，若是背殼過厚，負重過高，將會影響瓢蟲的飛行，讓它們在遇到捕食者時不能靈活迅速地逃離危險。面對這樣的難題，瓢蟲選擇了幾丁質這樣一種材料，這種材料的楊氏模量決定了它的剛性，適用於涉及空氣動力學中的方程的計算。但是同時，瓢蟲的背殼還需要考慮熱量因素。幾丁質在吸收熱量之後強度會發生變化，這就直接將瓢蟲體温的方程式與材料應對碰撞的有效程度聯繫到了一起。
我們可以想象，有這樣一張大紙上寫滿了好幾百個與瓢蟲相關的物理公式，上面還畫滿了箭頭，標示着不同方程的項或者解之間的相互關係。在這樣一個網絡中充滿着大量的反饋機制，一個方程出現改變，和它相關的其他方程也會隨之改變，就像往水中丟下一個石子，周圍泛起漣漪，層層擴大。這就是生命。突變會改變一些方程的解、引入新的方程，或去掉一些已有的方程，雖然只改了幾處，但由於這些方程之間彼此纏結，將會造成整體的改變。自然選擇作用於整個互相纏結的系統， 迫使其適應環境，那些能夠幫助瓢蟲繁育的圖紙將會保留下來，那些不能的將會被淘汰。
我們可以把所有關於瓢蟲的物理定律都輸入計算機，然後模擬合成一隻瓢蟲。當然我們在本書中進行的探討還太過粗略，比如除了宏觀上的物理學定律，我們可能還要深究基因層面的變化，考慮基因發生的突變和錯誤。在更高層面上，我們甚至能夠合成一羣瓢蟲，模擬它們聚集成羣以度過寒冬的模式。我們試圖將一個完整的多細胞生物還原為一些可以用方程式來表示的物理學定律的集合，這種嘗試不僅有科研上的用途，還能幫助我們深刻地理解塑造生命形式的多種多樣的作用力和可能性。通過對這種規律的不斷探索和理解，我們甚至能夠擁有一定的預測能力，而這種能力 (總結規律並進行推測、假設) 是科學的本質特性之一。
我們可以將生命簡化成一組方程，這種方法有效地將遺傳學和物理學聯繫在了一起。以瓢蟲的體温為例，決定其體温的熱量方程中的參數都可以看作是由基因調控的，有可能是一個基因、一組基因起作用，或者是許多基因共同調控的結果。昆蟲背殼表面損失的太陽輻射熱量取決於背殼反射的能量，背殼反射的能量多少取決於背殼的光亮程度，而背殼的光亮程度則是基因和發育信號通路的產物，基因和發育信號通路決定了瓢蟲背殼的表面物理性質。如果背殼的表面是粗糙的，還會有一些熱輻射發生散射，這個性質同樣也受到調控背殼的基因的影響。昆蟲自身損失的熱量又取決於背殼的厚度，這也是控制發育過程的基因調控的。後面的推理同上。
在處理這些參數時，我們要注意不能將這些方程具體化，因為它們的存在不同於物理實體，它們只是描述了不同變量之間的關係。然而，方程定義了幫助生物活到繁殖年齡的某種特性 (如熱平衡)，我們可以把它看作將有機體的多種物理特性結合在一起的方式。在這種情況下，組成這個方程的各個項的特徵，可以被歸為某一個或某幾個特定的基因，或是它們產物之間的互相作用。
通過把方程中的每一項和其具體對應的基因或生物學通路聯繫在一起 (舉一個簡單的例子，我們可以把熱量平衡公式中有關背殼厚度的項替換為決定瓢蟲背殼厚度的基因)，我們甚至可以用某一基因的活性來表示方程中的某一變量。用這種方法，我們真正地將宏觀世界中的物理關係或性質，與微觀世界中導致該種宏觀現象的基因組或生物學通路整合在了一起。
為了確定環境如何影響了生命體為特定方程式選擇的解，我們還需要探究不同環境對生物遺傳學通路的影響。這樣，我們就可以把整個進程整合起來看，一方面是宏觀的物理學定律自上而下地發揮作用，另一方面是基因自下而上地決定了每一種結構的形態。本質上來説，方程是一種有用的手段，它可以告訴我們一個生物的哪些特性能夠被當成一個小整體去看待，方程中不同的項可以共同決定某一種幫助生物到達繁殖年齡的性質。許多基因會參與多個生物進程，同時發育過程也非常複雜，將遺傳學和物理學聯繫在一起將會是一項極富挑戰性的工程，畢竟並不能簡單地將單個基因與單個表型特徵相對應。然而，不管我們怎麼看待演化物理學或物理遺傳學，它們確實為我們提供了一種有用的思考方式，將生物學中的演化、適應概念與定量的、受物理學限制的項結合在了一起。
通過這章中簡單探討的例子，我們得以一窺趨同演化 (親緣關係很遠的生物擁有類似的結構) 產生的普遍緣由：相似性取決於共同的物理定律。無論是黏性的、長着剛毛的足，翅膀的形狀，還是背殼的顏色和厚度，瓢蟲身上的各種結構告訴我們，形成這些結構的簡潔公式和數學關係其實也適用於所有昆蟲。這些方程式形成的網絡會不斷地出現改變和改進，翅膀變得更大就會改變背殼或腿部的尺寸。甲蟲背殼的顏色將會影響熱量的調控，甚至改變昆蟲過冬的習性。基於捕食者、食物、 棲息地，昆蟲被迫不斷髮生細小的調整，也正因此，自然界才產生了豐富多彩的昆蟲世界。然而在這些所有的細節之中，起到根本作用的還是那些決定性的方程式，這些方程式的存在從某種意義上來説限制了演化的種類和道路，它們美麗而豐富，且在生命現象中起到了主導性作用。