【生物力學】跳蚤跳高高之謎解開了

用掃描電子顯微鏡看跳蚤。圖片來源:美國疾病控制與預防中心(CDC)/Janice Haney Carr)

■ 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 fleaJournal of Experimental Biology

責任編輯:MissZoe

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3 thoughts on “【生物力學】跳蚤跳高高之謎解開了

  • 2011 年 02 月 25 日 at 10:32:15
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    要讓機器人或真人有辦法如願跳這麼高,應該一起想一想,跳這麼高之後的機器人或真人要如何安全降落吧?

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  • 2011 年 02 月 25 日 at 11:19:00
    Permalink

    可能要放墊子之類的...(誤)

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  • 2011 年 02 月 28 日 at 13:51:32
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    ㄟˊ,那可不可以從跳蚤跳起來的樣子判斷它吸多少血?
    或者說...判斷一隻跳蚤如果可以吸的血是無上限的,那牠的腳可以承受它吸身體百分之多少重量的血液還跳的起來??

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