【動物科學】雨水打不掉蚊子

■研究發現,蚊子之所以能夠承受相對於牠們體型大很多的水滴衝擊,以機械方式調整而存活下來,不單是因為牠們身體輕巧,外骨骼很柔韌也有關係。

圖片來源:Yulia Drobova│Getty Images

編譯│高英哲

一隻蚊子嗡嗡嗡地飛過打開的窗戶,毫無防備的受害者正在床上香甜地酣睡著。突然間,一滴比蚊子重大約五十倍的雨水,直直地往蚊子身上打落。這滴水對蚊子產生的衝擊力,應該要像公車輾過一個人一樣,用一股比重力多達三百倍的力道,把蚊子往下沖落。

然而對這隻蚊子下一個要咬的人來說,很遺憾的是蚊子在這樣的衝擊下安然無恙。

這是喬治亞理工學院一組工程師與生物學家的結論。他們結合了即時影像與精密的數學運算,顯示出這種輕巧昆蟲粗勇的身體構造,可以讓他們即使被最大顆的雨水打中,也能夠輕易死裡逃生。他們的研究發現對於滅蚊沒什麼幫助,不過倒是能夠協助工程師改良輕巧飛行機器人的設計。

雨水對飛機飛行會造成什麼損害,航空工程師知道得很多。大雨會增加阻力,減低爬升力,因此增加失速的風險。但是關於水對於會飛的動物會造成什麼衝擊,相關研究卻少得可以。最近由柏林萊布尼茲動物園與野生動物研究中心生物學家克里斯坦.佛伊特 (Christian Voigt) 領導的一項蝙蝠研究發現,這些毛茸茸的飛行動物穿梭雨中所需的能量,大約是在乾燥環境下的兩倍。不過雖然有些學者研究昆蟲在各種環境下的飛行力學,他們對於雨水所產生的效應卻知之甚少。

喬治亞理工學院的機械工程師胡立德 (David Hu) 等人為了一探究竟,決定研究瘧蚊這種會使人們感染瘧疾的主要害蟲,在人造雨的環境下會受到什麼影響。胡立德的團隊研究動物與水的關係是很有名的,他們研究過狗狗怎麼樣把水甩乾的物理原理。這次他們蓋了一座高二十公分,稱為「飛行競技場」的壓克力籠子,上面有個網狀蓋子,可以讓水潑進去,但是蚊子飛不出來。研究員首先對籠子噴灑水柱,模擬雨水從十公尺高的地方掉落的情況,在這個高度落下的雨水速度最快。籠子裡放了六隻蚊子,研究團隊用每秒可拍攝四千格的高速攝影機加以錄影。

實驗結果像是在打昆蟲彈珠台一樣。這六隻蚊子全都能夠在雨滴的衝擊下回過神來,不至於被打到籠底。在一般情況下,被水滴打中的蚊子會摔落相當於十三個身長的距離,然後脫離雨滴,側飛降落在競技場的側邊。研究團隊為了更加了解籠子裡頭是什麼狀況,就放進了二十隻蚊子,然後讓水滴以比較緩慢的速度掉落。錄影顯示水滴打到蚊子時,大多是側擊在蚊子的翅膀跟腿上,而不是直接打在牠們的身體上。蚊子被雨水打中時,可能會歪一邊、偏離航道或翻滾,看牠們是哪裡受到撞擊而定。

不過即使蚊子直接被雨水打中,摔落也不到二十個身長,然後就會回過神來。胡立德等人假設,由於蚊子質量很低,大約才二毫克上下,而雨滴可能重達一百毫克,因此雨滴碰到蚊子時,幾乎不會喪失什麼速度與動量,也就幾乎沒有什麼實質的力道會被分散到蚊子身上。研究團隊為了測試這項假設,用跟蚊子大小重量都一樣的保利龍小球,製造出蚊子「替身」,然後把這些小球放進競技場內。當水滴從上方跟這些小球碰撞時,這些小球可以暫時漂浮在半空中。

實驗結果顯示,重量是蚊子替身一倍到三百倍的水滴,撞擊到蚊子替身的時候,速度只減緩了百分之二到百分之十七。研究團隊認為雨水打到蚊子就會變形,大體上從側邊削過體積小得多的蚊子。胡立德等人在今年六月初發表於《美國國家科學院學報》網站的報告中指出,這個驚人的效應不只是因為蚊子身體輕盈,其外骨骼構造也有關係,強韌的外殼保護了內部器官。

研究團隊為了驗證他們的推論,最後使出了撒手鐧,對蚊子的身體施加壓力,看看牠們實際上能夠承受多大的力量。研究團隊算出雨滴的衝擊力大約是兩百到六百達因(施力的標準單位)。蚊子在承受三四千達因的壓力,比雨滴衝擊的力道還要多上好幾倍的情況下,一旦把力道放掉,牠們還是可以飛得起來。

加州大學柏克萊分校昆蟲飛行專家羅伯特.杜德利 (Robert Dudley) 表示,這篇論文「相當有說服力地指出,蚊子之所以能夠承受相對於牠們體型大很多的水滴衝擊,以機械方式調整而存活下來,主要不但是因為牠們身體輕巧,外骨骼很柔韌也有關係。」佛伊特補充表示,這項研究對於我們了解飛行動物如何因應各種天氣狀況「貢獻良多」。佛伊特說他對於蚊子能夠承受高達三百倍重力的事實「非常震驚」,這麼高的G力「是動物能夠承受加速度的史上最高紀錄」(人類只能夠承受大約二十五G)。

胡立德表示,他們的研究結果或許有助於設計所謂的微型飛行器(MAVs)。有些微型飛行器小到跟蜻蜓一樣,軍方逐漸在戰區偵搜救援任務中使用這種飛行器。不過佛伊特對此持保留態度。「要做出跟蚊子一樣大小的飛行機器人還早呢,」他說,「我不太確定這些研究發現,是否能夠與高級的微型飛行器設計結合在一起。」
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 研究出處:Raindrops Don't Swat Down Mosquitoes

責任編輯:Nita Hsu


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