【生物力學】跳蚤跳高高之謎解開了

■ 跳蚤為何可以跳得那麼高？高速影片顯示，牠用的不是看似膝蓋之處，而是具備超強彈力的腿。

編譯 ∣ 汪芃

　　動物王國裡最鼎鼎有名的跳躍好手，究竟如何施展出跳躍的好本領，數十年來大家爭論不休，如今似乎終於要塵埃落定囉。

　　不不不，我們說的不是兔子，也不是青蛙。而是跳蚤。

　　英國劍橋大學（University of Cambridge）偕同校外的研究同仁，運用高速攝影技術等新式工具，共同進行一項研究，他們研究發現，跳蚤起跳時，施力的地方是脛骨跟蹠節（tibia和tarsus，也就是昆蟲的腿），而不是轉節（trochanter，即昆蟲的膝蓋）。這份研究結論將發表在三月一日的《實驗生物學期刊》（Journal of Experimental Biology）中。

　　這份研究的共同主持人是劍橋大學機械工程學系的蘇頓（Gregory Sutton），他表示，先不論跳蚤究竟怎麼辦到的，牠們的彈跳工夫始終舉世聞名。他說：「甚至還有一些童話是在描寫跳蚤有多會跳呢。」跳蚤跳得遠，這點對大家來說都不是新聞。儘管跳蚤身長只有幾毫米，但根據一份研究指出，有些跳蚤可以跳超過10公分遠。蘇頓指出，一隻成年的刺蝟跳蚤（Archaeopsyllus erinacei），從休息狀態到凌空跳起，整個過程只需1毫秒。

超級彈力蛋白

　　蘇頓指出，跳蚤可以跳得那麼遠，目前所知沒有任何肌肉能產生如此強的力道。早在1960年代末期便已有研究發現，這種蟲子不只是用肌肉跳而已，還會用「彈」的。跳蚤在起跳之前，會先把能量儲存在體內的肢節彈性蛋白（resilin）中，這種蛋白具有自然的彈力；然後再使勁一躍，把能量一次釋放出來。

　　但這些彈力跑到哪裡去，科學家就不得而知了。有一派觀點認為，釋放出來的彈力會轉移到膝蓋，另一派則認為會轉移到腳。蘇頓說：「兩派彼此爭論。」而這麼多年來，始終沒有新的科技能平息這個爭議。

　　然而對蘇頓和生物學家布洛斯（Malcolm Burrows）來說，有用的技術出現了。他們率領研究團隊「圈養了一些跳蚤」，因而得以用慢動作拍了51支刺蝟跳蚤跳躍的短片。

　　研究人員說，英國白金漢郡（Buckinghamshire, England）的聖蒂基溫寇斯野生動物醫院（St. Tiggywinkles Wildlife Hospital Trust）從刺蝟背上抓下這些跳蚤，捐贈給研究團隊。研究人員設計了數學模型，在紙上模擬跳蚤跳躍的情形，也用了掃描電子顯微鏡仔細觀察跳蚤的身體結構。

　　每一種研究方法都顯示關鍵是「腳」。首先，蘇頓表示，跳蚤跳躍的時候，有10%的比例膝蓋都沒有著地，但不管跳蚤的膝蓋有沒有先接觸地面，跳躍的速度和加速度都不變。

　　研究人員也發現，跳蚤的脛骨和蹠節上生有長刺，或許可增加附著摩擦力，反觀跳蚤的膝蓋卻沒有長刺，只有短毛。此外，蘇頓和布洛斯觀察錄到的影片，發現跳蚤跳躍的過程，跟用腳起跳的數學模型預測是相符的，而跟用膝蓋起跳的數學模型預測則不符。

　　美國布萊克斯堡維吉尼亞理工大學（Virginia Tech）專攻生物力學的杜德克（Dan Dudek）說「看起來研究似乎可以畫下完美的句點了」，但他強調，這類研究可不是只想抓跳蚤來玩玩。

讓機械也跳高高

　　在今天，由於人類的製造技術有其極限，許多生物學家及工程師紛紛轉向自然界的生物汲取靈感。例如杜德克便研究了跳蚤的肢節彈性蛋白，指出這種蛋白的彈力比所有人造彈簧都要強。

　　他說明：「有些有趣的動物本身也很值得研究，但如果能了解牠們產生力量的方法，再加以調整控制，或許就能幫助我們了解怎麼讓機器人跳起來。」

　　對於這個看法，麻薩諸塞大學安姆斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的生物學家卜提克（Sheila Patek）也同意。但她也表示，從射出孢子的真菌類，到發射刺絲胞的水母，許多生物體都已各自演化出快速而強大的能力，工程師不一定只能模仿單一種動物，而可以從各生物間挑選最優異的特質，自行搭配。

　　蘇頓也說，目前人類對動物的了解，很可能還只是冰山一角。例如大家認為跳蚤跳躍的功夫舉世無敵，但這也可能只是個美麗的誤會。

　　蘇頓解釋，像蝗蟲這類的沫蟬科昆蟲（froghoppers），就比讓人皮癢的跳蚤跳得更快更遠，他表示，「想想世界上還有那麼多種昆蟲，我很難相信最會跳的昆蟲就在我們的院子裡。」

影片：跳蚤跳躍的高速攝影畫面

這支以高速攝影技術拍成的短片，錄下跳蚤的驚人一躍，從短片中可明顯看出，跳蚤起跳的施力點是在腳趾。

原文出處：Biomechanics of jumping in the flea（Journal of Experimental Biology）

責任編輯：MissZoe