槍殺、子彈與寶甲：日本南紀白濱的妖魅刺客_風聞

2022年7月8日上午11點，日本白濱町海岸邊的白濱水族館內，一隻孔雀螳螂蝦連砸兩下水族箱；30分鐘後，120公里外的奈良大和西大寺車站旁，一位前日本政要連中兩槍倒地。

對於科學傳播者來説，刺殺事件理論上可供操作的選題還算豐富：你可以運用槍械學知識，介紹霰彈槍、手槍和自制槍械，也可以結合彈道學與法醫學，聊聊槍彈進入並損傷人體的過程，還可以調度科技史料，講述防彈衣的起源發展，更可以藉助材料學和力學原理，科普防彈面料的“接化發”機制。

而我則選擇先給文章擬一個充滿暗示的曖昧標題，以及一句模仿蝴蝶效應的矯情前言。這是因為本文主角孔雀螳螂蝦完美集齊了所有能強關聯刺殺事件的科學要素：一個日本的刺客，一把自制的手槍，一顆殺人的子彈，一件保命的防彈衣。

撰文 | 嗶普星人

顏值MAX版的皮皮蝦

皮皮蝦在民間流量很高。它們令無數食客大快朵頤，也是表情包裏的坐騎，更有藝術大師向其致敬，很多觀眾都因電影《食神》瞭解到皮皮蝦也叫撒/瀨尿蝦，能和牛肉“摻在一起做成爆漿撒尿牛丸”，瀨尿之名源於它們被抓住後腹部會出水。

由於皮皮蝦有着螳螂式的鐮刀前肢，故英文使用者稱它們為“mantis shrimp”,直譯作“螳螂蝦”。

孔雀螳螂蝦（peacock mantis shrimp）和皮皮蝦是近親，同屬於節肢動物門—甲殼亞門—軟甲綱—掠蝦亞綱—口足目（Stomatopoda，並非嚴格意義上的蝦類），不過前者歸於趾蝦蛄總科（Gonodactyloidea）下的齒趾蝦蛄科（Odontodactylidae），學名“蟬形齒指蝦蛄（Odontodactylus scyllarus）”；後者是蝦蛄總科（Squilloidea）蝦蛄科（Squillidae）的成員，學名“口蝦蛄（Oratosquilla oratoria）”。

你如果沒那麼講究，其實大可以稱孔雀螳螂蝦為孔雀皮皮蝦。

那些標準蝦類，例如對蝦、紅蝦、龍蝦等，是蝦蛄們的遠親，屬於軟甲綱—真軟甲亞綱—十足目（Decapoda）。

圖1.蝦類的外部形態草繪圖。上：普通蝦類；下：皮皮蝦。[1]

當你第一眼見到孔雀螳螂蝦時，你會被它的真誠打動，因為它那十幾釐米長的身軀就像它的名字一樣花哨，好似微縮版的孔雀開屏，又如拉長後的彩虹琥珀。

藍綠寶石般的背部，大紅、深紅的腿肢及下腹，赤橙黃綠藍靛白的觸角，深藍色的眼柄，工業朋克風的卡姿蘭大眼睛。

圖2. 眼柄常見於十足類、口足類等動物，呈棒狀形態，長在頭部側面，類似於觸角，裝在眼柄裏的眼睛可自如轉動。[2]

邂逅它們的攝影師絕不會錯過定格藝術的良機，有強迫症的觀眾會拿出調色板與之對比，古樸的進化論者推測它們的絢麗與孔雀同理，都為異性相吸繼而一夫一妻[3]。不過坦白講，我們無法確定它們能否與人類一樣欣賞自己的魅力。

見色不鑑色

孔雀螳螂蝦的視覺系統可以説工業有餘而朋克不足。

圖3. 螳螂蝦的光感受系統。[4]

包括人類在內的大多數哺乳動物視網膜中只有3類光感受器，分別對紅、綠、藍光敏感。孔雀螳螂蝦的眼睛則擁有12種不同的感受器（某些品種甚至有16種），其中8種覆蓋了人類可見的光譜，另外4個落在紫外光譜區。此外，它們還可以感知偏振光。

圖4. 人眼的感光通道相比螳螂蝦實在是乏善可陳。[4]

然而，奢侈的視網膜配置，12個感光通道，並未賦予它們優異的色彩分辨力。科學家測試發現，人類能分辨出波長相差5納米的顏色之間差異，而螳螂蝦卻掙扎於15-25納米的區間。

圖5. 人類能以50%的準確率看出左、中兩列的顏色差異，螳螂蝦只能以同等準度區分右列和中列。[5]

這種反差的原因在於，它們的視覺系統重在“技術識別”而非“藝術鑑賞”。

人眼的視錐細胞彼此緊密關聯，組成複雜機制；這些細胞對光的響應差異，再加上神經計算網絡對響應信號的處理，令我們得以感知細微的顏色差異。

相比之下，螳螂蝦的視錐細胞“彼此獨立工作，無需複雜的神經計算”，當感光信息離開視網膜抵達中樞神經系統，會有“大量並行數據流”，允許視覺總部同時處理好幾條數據。這種類型的視覺系統往往難以準確辨別不同顏色，卻能快速識別顏色存在，有利於螳螂蝦敏鋭地發現天敵或獵物[4, 6]。

命送螳螂槍

對於一個刺殺者來説，光有敏鋭度是不夠的，一把自制手槍才是於人叢中索命的關鍵。

孔雀螳螂蝦有兩把手槍，也就是它那兩條錘子般的掠食前肢（raptorial appendages/legs）。

螳螂槍的運作機制與弓箭異曲同工。

射箭者的開弓手向箭頭的反方向平移，使得弓弦積聚彈性勢能，然後鬆開，弦的勢能轉化為箭的動能。螳螂槍則藉助更復雜的機構，實現了複合弓級別的威力。

圖6. 示意：將掠食前肢的結構類比為機械結構。[7]

我們不妨通過上圖觀摩下這組機構的運行方式。鑑於圖中有大量冷僻的節肢動物專用術語，為求簡潔和通俗，我們暫且擱置所有生物學的概念，只把掠食前肢當作機械結構來看待。

不難看出，螳螂槍的精髓就在於“一彈兩心”：

“一彈”指的是那個英文名叫“saddle”的彈簧，負責為機構提供動力，孔雀螳螂蝦會利用掠食前肢的強壯收縮肌（圖中未顯示）將彈簧大幅度擠壓，從而蓄滿勢能。此時，伸肌（圖中以紅色圖案顯示）也處於收縮狀態。

“兩心”是指兩個軸心點，第一軸心點和第二軸心點，也就是圖中“merus-v”的底端點（黑點）以及“carpus”和“merus-v”的連接點（白點）。如果緊繃的彈簧鬆開，勢能將瞬間釋放，伸肌會伸展開來，merus-v會繞第一軸心點逆時針旋轉，carpus則繞第二軸心點順時針旋轉，而固定在carpus上的“鐮刀”，即“propodus+dactyl”，將疾速揮舞，其中dactyl給予目標以直接殺傷。

圖7. Saddle彈簧一鬆，勢能即刻轉化為動能，原本處於收縮狀態的伸肌會伸長。[7]

蓄勢，突擊。[8]【請前往“返樸”公眾號觀看視頻】

鐮刀揮舞有多快呢？數據是最直觀的[7, 9, 10]：

啓動後的加速度能達到重力加速度的10400倍，即超過105m/s2，堪比點22口徑子彈和F1發動機裏的活塞。

一次完整揮舞耗時約2.7毫秒，平均時速83公里；人類眨一次眼需要100-400毫秒，而孔雀螳螂蝦眨眼間已完成上百次亂殺。

擊打力度可達1500牛，數千倍於自身體重，足以輕鬆擊穿獵物外殼，甚至能打碎水族箱玻璃；職業拳擊手的擊打力約為5000牛。

必須要指出的是，以上數據均在水下實現……

子彈出膛對比螳螂蝦出拳視頻[8]【請前往“返樸”公眾號觀看視頻】

魂斷空化彈

言至此處，我們不得不佩服螳螂槍的駭人火力。不過既然稱呼它為槍，就應該配上子彈才顯妥當。

螳螂槍的子彈叫“空化彈”，不是空包彈，不是空頭彈，是英文名為“cavitation bubble”的空化彈。

所謂的空化（cavitation）是一種流體力學現象：液體在遇到壓力的快速變化時，其內部會形成蒸汽空化腔（vapor cavity），接着液體又會極快地填充空腔，快到令空化泡向內潰滅（collapse），或者説內爆（implode），進而產生劇烈衝擊波。

圖8. 空化泡潰滅並衝擊其下方平面的過程[11]

由於掠食前肢擊打速度實在太快，撞擊區域的水瞬間蒸發，形成大量空化泡，再迅速集體內爆，完成空化彈殺傷。

理論上，一個直徑2.7毫米的空化泡潰滅能產生強度超過9兆帕（900N/cm2）的衝擊。而螳螂槍製造的空化彈相當於一次500牛的擊打[12]。

對於獵物來説，它們即便僥倖招架住兇猛的捶打，也逃不過空化彈的二次擊殺。

兇悍的殺傷力幫助孔雀螳螂蝦站至海洋食物鏈的高處。只有虎鯨、鯊魚、兩三米長的藍鰭金槍魚、一兩米長的梭魚等絕對碾壓級生物，才能對皮皮蝦尺寸的孔雀螳螂蝦實施制裁。在很多情況下，它們會獵殺塊頭比自己大的對象，例如日本紀伊半島之南的各種螃蟹，美國關島周圍的各種大蝦，中國台灣海域的某些魚類。

這裏需要指出，擁有日本武士道風範的孔雀螳螂蝦不只生活在日本附近，印度洋和太平洋的沿岸海域都廣泛分佈着它們的身影。

圖9. 孔雀螳螂蝦的全球分佈。黃色區域為它們活動的海域。南紀白濱町是孔雀螳螂蝦在日本的主要分佈區域之一。[13]

寶甲護槍不受傷

言至此處，文章標題中“刺客”、“槍殺”、“子彈”的元素都已説完，還剩下一個“寶甲”。

刺客當然也需要穿防彈衣了，不過孔雀螳螂蝦的寶甲並非穿在身上，也並非為了防禦敵人，而是裝在螳螂槍上的。如果沒了這對防彈套件，它們的刺殺就會像七傷拳一樣殺敵傷己。

如前文所述，孔雀螳螂蝦的打法特點稱得上剛猛迅疾，而剛猛的前提是那對掠食前肢的擊打部分——也就是與目標發生直接接觸的“dactyl”——足夠堅硬，足夠有分量。是否堅硬有分量，取決於內部的材料結構。（前文已通過圖片介紹過dactyl和propodus，你可以把dactyl理解為鐮刀的刀刃或錘子的錘頭，propodus則是手柄。）

圖10. 示意：掠食前肢中負責擊殺的部分，也就是螳螂槍的本體。這部分由dactyl和propodus組成。[6]

科學家發現，dactyl的前端，也就是上圖中紅色的“撞擊前沿”，含有高濃度礦物質，以羥基磷灰石為主，而且結晶度很高，是整個結構中最硬最剛最不易變形的部分，彈性模量高達65-70GPa。

彈性模量是描述物質彈性的物理量，其數值大小反映材料在外力作用下變形的難易程度，彈性模量越大，材料越剛硬，越不容易變形。當然了，外力作用方式有很多種，可以向外拉伸，可以向內擠壓，也可以側向剪切；彈性模量自然也包含多種類型。

這裏的彈性模量反映材料在擠壓作用下的變形難易。實驗者通過納米壓痕法，測算得到了撞擊前沿的壓縮彈性模量。

銅塊的壓縮彈性模量約為130GPa，即1.3×1011Pa，鋼纖維的彈性模量在36GPa左右；而層厚僅為50-70μm的撞擊前沿竟有着高達70GPa的彈性模量，實屬罕見。這種級別的材料硬度當然保證了又剛又猛，拳拳到肉[6]。

但我們也都知道至剛易折，過於剛強容易造成內傷，往往不可持久。螳螂槍在猛烈衝擊敵人的同時，自己也會承受反向衝擊力，那麼它們是怎樣做到不被反作用力反噬的呢？

原因就在於撞擊前沿的後方安置了層次分明的緩衝區。這些緩衝區就是護槍寶甲。

研究人員藉助多種表徵方法，發現緩衝區的材料結構與撞擊區的相差懸殊，撞擊區以磷灰石礦質為主體，硬而脆；緩衝區則是無機礦質與有機高分子的結合體，其中無機質以非晶磷酸鈣和碳酸氫鈣為主，高分子則是甲殼質，英文名chitin，又彈又柔，分散於無機質中，負責吸收衝擊能，發揮緩震作用[6]。

圖11. 過渡區的材料結構仍以礦物質為主，但成分較撞擊前沿有所變化，彈性模量下降至35 GPa。兩個緩衝區的彈性模量則僅有5GPa和10GPa。[6]

圖12. 緩衝區的甲殼質們組成了一種獨特、優雅又實用的螺旋結構。[6]

打個不算恰當的比方，礦物質就像一大箱玻璃瓶，箱子要是掉地上，玻璃保不齊會碎掉，但如果你往箱子裏到處都塞上海綿，也就是甲殼質，這箱玻璃就不容易被碰壞了。

藉助甲殼質的螺旋軟甲，螳螂槍得以剛柔並濟，擁有出色的耐損性，可承受數千次高能衝擊，最後在螳螂蝦週期性蜕皮時被翻新[14]。

孔雀螳螂蝦的寶甲也給防彈領域帶去了靈感。

美國的研究人員模仿這種天然材料結構，設計了一種由碳纖維層組成的超強複合材料。測試結果顯示，新材料相比航空航天工業的常用材料，可吸收的衝擊能量高了15-20%[15]。此外，他們還3D打印了一種借鑑螳螂槍的材料結構[16]。

仿生材料學家戴維·基賽盧斯（David Kisailus）是這一研究的通訊作者。他長期致力於觀察和臨摹孔雀螳螂蝦，並得到美國國防部鉅額撥款資助。“我們對螳螂蝦的掠食前肢研究越發豐富深入，也越發意識到它的結構可以改善我們每天使用的許多東西，例如更堅固的防彈衣、橄欖球頭盔、飛機和汽車。”

參考文獻

[1] https://aquariumbreeder.com/dwarf-shrimp-external-anatomy/#open

[2] https://www.thoughtco.com/mantis-shrimp-facts-4582442

[3] https://oceana.org/marine-life/peacock-mantis-shrimp/

[4] https://scholarblogs.emory.edu/artsbrain/2020/03/05/vision-in-mantis-shrimp/

[5] https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-mantis-shrimp-sees-like-a-satellite

[6] https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1245824

[7] https://www.nature.com/articles/428819a

[8] https://youtu.be/ti2Uoc1RXuQ

[9] https://journals.biologists.com/jeb/article/208/19/3655/15838/Extreme-impact-and-cavitation-forces-of-a

[10] https://ourmarinespecies.com/c-lobsters/mantis-shrimps/

[11] https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302119

[12] https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/3.8027

[13] https://kids.nationalgeographic.com/animals/invertebrates/facts/peacockmantisshrimp

[14] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jmor.1051460104

[15] https://phys.org/news/2014-04-mantis-shrimp-stronger-airplanes.html

[16] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600786

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。