老墙上一只壁虎停住,光滑的瓷砖对它没有影响;同一面墙上,蚂蚁走到釉面就绕开,改沿砖缝上行。能不能上去,取决于足端与表面靠什么连在一起:钩住、贴住,还是吸住。三条路各有前提,认错一条就会把动物归错类。
爪只能钩住比爪尖更粗的凹凸
爪是一根弯钩,作用是把体重挂到基质的凸起上。爪只认凹凸,不认光滑,爪尖的曲率半径多在 0.1 毫米上下,树皮的裂纹、岩石的晶粒都够用,抛光的玻璃与瓷砖就不行。爪尖越细,能钩住的表面越多。爪尖的弯曲方向也要看一眼。
猫的爪可以收回鞘内,行走时不着地,攀爬时才伸出;松鼠的爪不能完全收回,常年外露,爪尖更弯。昆虫的爪多为一对,爪下常带齿。看爪先看能否伸缩,再看爪尖有没有齿,这两项决定了它能上什么墙,也决定了它下墙的姿势。
趾垫靠分子间力或一层液膜贴住
趾垫是一块软垫,压上去以后与表面贴得很近,靠分子间的作用力或一层极薄的液体粘住。它不要求表面有凹凸,反而要求平整,越光滑越牢。垫面越软,实际接触的面积越大,附着力随之上升;表面一湿,水膜会把接触隔开。
树蛙的趾端膨大成圆盘,直径 2–4 毫米,盘的背面有腺体开口,爬过玻璃会留下淡淡的印。壁虎的趾腹没有腺体,靠的是皮瓣上的刚毛,每趾排 15–25 片,干态附着,与树蛙走的不是同一条路。看趾端有无腺体开口,是硬判据。
吸盘靠腔内压差,边缘必须密封
吸盘是一个边缘柔软的空腔,贴住表面后把腔内的介质排出,形成低于外界的压力,靠压差把身体压住。吸盘只认密封,不认材质,粗糙或漏气的表面立刻失效。章鱼的吸盘直径 2–10 毫米,靠肌肉抽水,松开时放气。
鮣鱼的吸盘由背鳍改造,盘内有 20 条上下的鳍条,边缘是一圈唇状褶,贴在鲨鱼皮上时靠鳍条竖起形成许多小腔。它的吸附不靠黏液,也不靠钩,属于纯粹的压差式。看到盘状结构先找密封褶,找不到就别往吸盘上归。
把动物放到玻璃与砂纸上,三条路立刻分开
最省事的判别是换基质。玻璃上还能走的,靠趾垫或吸盘;只有粗糙面能走的,靠爪。再把玻璃打湿,湿面上仍能附着的多半是吸盘或疏水刚毛,一湿就滑的是靠液膜的趾垫,两者一试便分。测的时候同一只个体重复三次,取多数。
表面能也是变量。聚四氟乙烯这类低能表面,液体铺不开,靠液膜的趾垫与靠范德华力的刚毛都会打滑,吸盘却仍能工作,只要边缘密封得住。本文判断:干、湿、粗、滑 4 种基质各测一次,附着方式基本就能定下来。
关键数据
下列数值为常见类群的量级,用于对照尺度。附着力的测法差别很大,有拉脱,有剪切,数字不能直接互比。同一种动物在干面与湿面上能差出 3–5 倍,只有同一实验内的相对值才有参考价值。换实验、换个体,绝对值都会变。
- 爪能钩住的凹凸尺度通常需大于 10 微米
- 树蛙趾盘直径约 2–4 毫米,盘背有腺体开口
- 壁虎趾腹皮瓣每趾 15–25 片
- 章鱼吸盘直径多在 2–10 毫米
- 鮣鱼背吸盘的鳍条约 20 条
- 低能表面上,液膜类附着几乎全部失效
表面太滑、太湿或太脏时,三条判据会同时失灵
布满油污的玻璃既不能钩、也不能贴,吸盘的边缘也封不住,任何附着方式都失效。有积水的光滑面,靠液膜的趾垫比干态更容易打滑。此时绕行不是能力不足,而是基质不匹配,不能反推它没有附着结构。
刚蜕皮的个体,趾垫尚未角质化,附着能力低于常态;沾满泥沙的足端同样测不出真实水平,吸盘边缘一旦沾上砂粒就封不住。本文判断:先看基质,再看个体状态,两者都排除以后才轮到种类。记录时把基质与时间一并写下。
参考文献
- Nachtigall W. Biological Mechanisms of Attachment. Springer, 1974. —— 爪、吸盘与黏附器官的比较形态。
- Irschick D J, Austin C C. Ecology and Biomechanics of Adhesion in Terrestrial Animals. Springer, 2013.
- 刘凌云, 郑光美 主编.《普通动物学》(第四版). 高等教育出版社, 2009.