得益于其下颚中锌和锰等硬质金属的注入，蚂蚁的咬合力远超其自身重量。
一项使用先进显微镜进行的新研究表明，包括蚂蚁、骆驼蜘蛛、蝎子和刺蠕虫在内的许多节肢动物都利用这些硬质矿物质来增强其锋利的附肢，使其在切割叶子或蜇刺猎物时更加有力。
小生物，大咬力
通常情况下，小型生物在咬、蜇或切割方面的力量不如大型生物。“一个粗略的经验法则是，一个体型比另一个大十倍的生物，如果两者的肌肉与其身体尺寸的比例相等，则可以施加一百倍的力量，”俄勒冈大学的物理学家 Robert Schofield 说。
然而，像蚂蚁、蝎子和蜘蛛这样的小型生物仍然能完成惊人的力量壮举，它们用毒刺刺穿坚硬的表面，或者切开相对坚韧的叶子。它们做到这一点部分归功于其极其锋利的附肢，能够以小得多的力量刺穿坚硬的表面。
“诀窍在于它们使用锋利的工具，将较小的力集中在更小的区域上，基本上获得了相同的压力，”Schofield 说。
但这些生物并非总是拥有磨刀器。Schofield 和他的同事们想知道，随着它们的尖牙、毒刺或下颚随着时间的推移而磨损，它们如何才能保持强大的锋利度。例如，对于切叶蚁来说，它们的下颚的平均锋利度会随着时间而下降，导致年老的蚂蚁比年轻的蚂蚁花费两倍的力气才能切开相同的叶子。
“对于依赖这种 [锋利度] 的小型生物来说，这可能是致命的，”Schofield 说。“磨损，对于这些小型生物来说，可能足以决定它们的寿命。”
检查蚂蚁工具的新工具
Schofield 一直对利用物理学来更好地理解生物学感兴趣——他说他从未决定过要在学习中成为一名生物学家还是物理学家。他选择了后者，并在博士研究期间，他帮助发明了一种使用原子探针断层扫描术的显微镜。
在《Scientific Reports》上发表的一项研究中，Schofield 和他的同事们描述了他们如何使用这种原子力显微镜并建造了微型测试机来更好地理解强大咬合力和蜇刺的力学原理。他们检查了切叶蚁 (Atta cephalotes)、海 nereid 蠕虫 (Neanthes brandti)、蝎子 (Hadrurus arizonensis)、蜘蛛 (Araneus diadematus) 等物种的下颚、毒刺和其他工具。
他们发现，许多这些生物的工具中含有大量的锌和锰。“这非常奇怪，因为含量如此之高，”Schofield 说。
例如，蚂蚁的下颚含锌量高达 16%。蝎子的毒刺中含锌量高达 20%。
Schofield 说，这些硬质材料有助于生物保持足够锋利的工具来切割叶子或蜇穿猎物的硬壳。“从进化的角度来看，这些确实是巨大的优势，”他说。
锌还能使它们的毒刺或下颚更坚硬——这是一个重要的因素，有助于在切割和穿刺的压力下保持锋利度。研究人员计算了使用含有锌和锰的毒刺刺穿硬质材料所需的力，并发现与生物的毒刺仅由外骨骼的其他材料制成相比，这产生了巨大的差异。他们的测量显示，添加锌后，蚂蚁牙齿的硬度也会增加。没有锌，它们的硬度约等于塑料。有锌，它们的牙齿硬度就等于铝。
研究人员还表示，他们检查的尖牙和毒刺代表了一类全新的结构生物材料——另外两种是骨骼或牙齿的矿化材料以及指甲那样的纯有机材料。
Schofield 说，该团队正在进行后续研究，以确定其中一些生物是否能在其下颚或毒刺破损时补充或自我修复其中的锌和锰含量。
