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负重甲虫

探索犀牛甲虫的力量,它们能以惊人的生物力学效率,支撑相当于自身体重30倍的重物。

作者:Carl Zimmer
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按重量计算,犀牛甲虫是世界上最强壮的动物。但它们究竟有多强壮?又是什么让它们如此强大?灵感有时来自最奇怪的地方。罗杰·克拉姆(Rodger Kram)在翻阅《吉尼斯世界纪录》时,看到了一个惊人的条目。他说,《吉尼斯世界纪录》声称世界上最强壮的动物是犀牛甲虫,它可以支撑相当于自身体重850倍的重物。克拉姆是加州大学伯克利分校的一名生理学家,他决定在他的实验室里测试这一说法。克拉姆没有简单地在甲虫背上堆放重物,因为轻微的倾斜就会使负载失衡。相反,他制作了一个轭。他在每只甲虫的背上粘了一块魔术贴,并连接了一根细铅条,铅条延伸到甲虫的头部和尾部以外。在铅条的两端,他粘上了从模型火车商店购买的铅块(它们通常用于增加模型火车的牵引力)。当克拉姆把犀牛甲虫放在跑步机上时,他发现虽然它们不像《吉尼斯世界纪录》声称的那么强壮,但它们仍然令人惊叹。它们可以支撑相当于自身体重十分之一的100倍的重量,尽管在这种负载下它们几乎无法移动。在支撑相当于自身体重40倍的重量时,它们可以缓慢地行走大约十分钟,然后就会筋疲力尽。但是,当支撑相当于自身体重30倍的重量时,情况就发生了变化:在行走半小时后,它们仍然没有表现出任何疲劳的迹象。“我先感到无聊,而不是它们先感到疲倦,”克拉姆说。甲虫的这一壮举,相当于一个体重150磅的人头顶一辆凯迪拉克步行一英里而不知疲倦。对于克拉姆这样的生理学家来说,最神秘的是是什么驱动着这些甲虫。他解释说,在人类、小马和狗身上,如果让它们承担相当于自身体重10%的重量,它们的代谢率会提高10%:10对10,20对20,以此类推,呈比例增加。然而,对于犀牛甲虫来说,要遵守这一规则,支撑相当于自身体重30倍的重量,它们需要将新陈代谢提高30倍——这是地球上只有少数生物,如大黄蜂,才能做到的。克拉姆并不指望生活在地上的甲虫会拥有如此高、可持续的燃烧速率的新陈代谢。但他也未曾预料到,当他密封跑步机所在的测试舱并测量甲虫消耗的氧气量(从而计算它们燃烧的卡路里)时,他会发现什么。在支撑相当于自身体重30倍的重量时,甲虫消耗的氧气量仅比在无负载行走时高出四倍——这是生物力学效率的惊人展示。“如果这些甲虫承载相当于自身体重50%的重量,那简直是微不足道的,”克拉姆说。“它们几乎根本不在乎。”犀牛甲虫在自然界中实际上并不会背负重物,但它们确实会从事剧烈的活动,比如穿过森林的落叶层寻找食物,以及与竞争对手角力。克拉姆还没有弄清楚它们的秘密。其他动物的机械技巧在这里不适用。例如,寄居蟹可以通过拖动腹部来携带沉重的壳;由于海底支撑了大部分重量,螃蟹只需将其向前移动即可。但犀牛甲虫将腹部抬得很高。习惯于头顶重物的人,通过将前进运动的一部分能量转化为步态的起伏来节省能量。而甲虫则走得太慢,无法做到这一点。当承载重物时,它们根本不会改变行走方式。克拉姆计划研究它们的骨骼和肌肉,以弄清这一谜团。像所有昆虫一样,甲虫拥有坚硬的外骨骼,有可能它的强度异常高,能够承受甲虫的重量而无需肌肉消耗太多能量。但克拉姆怀疑他会在肌肉中找到答案——他认为甲虫的缓慢是线索。“收缩和放松缓慢的肌肉可以同时强大且新陈代谢效率高,”他说,“蛤蜊用来紧闭外壳的肌肉就是一个例子。犀牛甲虫可能也有这样的肌肉。”揭示它们的全部故事,可能对试图建造多腿机器人进行月球采矿等任务的研究人员大有帮助。毕竟,一条由空心钢制成的腿的机器人,本质上就是一个机械甲虫。“制造机器人的人并没有过多关注能耗,”克拉姆说。“他们只是给机器人插上电,背后还有一个核反应堆,他们有充足的电力。但当我们真正开始制造实用、自主、载货能力的机器人时,能源消耗将变得更加重要。”

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