在东南亚和澳洲地区,有一种可爱的海洋动物,它调皮好动,机灵敏捷,爱吃动物性饵料,尤其偏爱生活在水外的小昆虫。另外,在自然环境中,水面附近的昆虫也是它的捕食对象。

小龙虾是龙虾吗?

一个简单的物理现象不仅能使人们理解微观世界的奥秘,还能帮助人们化解世界难题。

我们对狙击手往往有着这样的印象:他们冷酷、沉稳、一击制敌,可以卧在草丛里几个小时一动不动,只为扣动扳机那一刹那的绝代风华。在东南亚的水域中也出没着这样一群狙击高手,它们卓绝的技艺甚至更胜人类,这些神射手就是射水鱼。射水鱼,顾名思义,是一类依靠从口腔中喷出“水弹”,从远距离击落猎物,再轻松扑杀落水猎物的技术流捕食达人。它们的身长只有不足20cm,但是射程可以达到两米左右。

在十多年以前小龙虾的出现,几经曲折,虽有各种不利的言论(流言、谣言)摧打,但”金不怕火炼”逆流而上,凭着”顽强的生命力”而现在的小龙虾却火上了天,已经逐渐走进了我们的生活。

如果不小心沾到雨水,由于水的表面张力作用,蚂蚁将陷入困境。水分子间的极性相互作用使得滴落的水滴呈球形,这也离不开表面张力的影响。表面张力使水面富有弹性,即使发生变形也不会破裂;表面张力还能增强水面的附着力,像流沙一样将不幸落入水中的蚂蚁吞噬。

射水鱼,一双大大的水泡眼,可以在行动时发挥重要作用。它的眼内有一条条可以转动的竖纹,当身体游动时,这对大眼既可以观察水面的动态,又能敏锐地捕捉到空气中物体的行踪。只要发现了美味的食物,就会立即摆动鱼鳍,迅速向目标靠近,利用口中喷出的水柱来击中目标。它的战利品往往包括飞蛾、苍蝇、蜜蜂等空中飞舞的小昆虫,如果有人胆敢靠近,它甚至可以射伤人的眼睛,可见其喷射“水弹”的威力之大。对于射水鱼的绝招,很多人都会感觉惊讶:看起来毫不起眼的一条小鱼,怎么会拥有如此高超的本领呢?科学家研究表明,射水鱼的水弹之所以“百发百中”,缘于它在发现目标时,会自动调整水对光线产生的折射作用,然后让身躯保持垂直状态,集中所有的精力来瞄准目标,保证水弹的垂直发射,才能将食物准确收入囊中。也就是说,小小的射水鱼之所以总是能够大获全胜,其实得益于两个字:专注。如果它一会儿想要击落苍蝇,一会儿又想击落蜜蜂,什么都想要,或许就什么也得不到了。如果我们心中有了一个目标,学习射水鱼的专注,就会同样走在通往成功的路上。鱼根据其与目标的距离,鱼嘴里开启和关闭的速度变化改变水向外流的速度和稳定性。慢慢打开和关闭能稳定水流并降低其加速度,喷出一长段水柱,对猎物造成最大冲击力。当两只昆虫出现在视野中并不会干扰射水鱼捕猎,它们会先击落距离最近的昆虫。从仿生学角度,射水鱼的这项特技可以用于喷墨打印机的制造,调节喷头宽度可以控制墨迹行踪。射水鱼在射击过程中,射水鱼首先会迅速地压缩自己的鳃盖,在口腔中形成一个“枪膛”式的结构。这个“枪膛”的上半部分为上颚的一个凹槽,下半部分则由舌头上突出的一个硬脊填充。水弹由于在喷射前先经过这样的枪膛而高度聚集,射水鱼对精确性的把握也因此增加。类似结构也存在于哺乳动物的“水枪”——男生上洗手间时应该深有体会。射水鱼会针对不同高度的目标灵活地调节射击力度,来保证射出的水流在击中目标前完成聚集,变为一颗“水弹”,增强了其冲击力,使得射水鱼的射击效率最大化。射水鱼在每一次出击时,其上颚都严格地固定在水的表面,它们只会稍微进行水平位移来进行瞄准,然后针对不同高度的猎物调整射击角度。这些证明了射水鱼的稳定和精准。这样惊人的“心理素质”或许是得益于复杂的自然环境——在真正的野外环境下,进入射水鱼射程并且能够被击落、适合食用的猎物是比较稀少的。但为了生存不得已而为之,它们必须拥有这样的射击效率!

然而事实上,我们通常吃的是小龙虾,其实不能算是真正的”龙虾”,它的学名叫克氏原螯虾,与”龙虾”相比,它的个体小得多,故而称”小龙虾”,名副其实,它属于甲壳纲,十足目,螯虾科。

物理学家早已弄清表面张力的成因。水分子总是试图降低与其他类型分子的联系,因此当有外部力量使水的表面发生变形时,被迫发生位移的水分子将努力回到原来位置,维持最小势能状态。在这种情况下,水分子就像胶水一样,除非干扰者本身对水分子有更强的吸引力。尽管人类不需要担心受困于水的表面张力,但它仍然与人类的生活息息相关。例如,表面张力使得人类病原体和农业病原体能通过微小的水滴远距离传播。

这种淡水虾在我国北方俗称喇咕,南方俗称龙虾、小龙虾、淡水龙虾。小龙虾原产于美国中南部和墨西哥东北部,上世纪二三十年代经日本传入我国。小龙虾虾壳提取的虾青素、几丁质等物质能被广泛应用于食品、医药、造纸等领域,再加上其肉质鲜美、营养丰富,因此,小龙虾才迅速“红”遍了大江南北。

让植物拥有“肌肉”

小龙虾是真正的天生暴力狂

植物没有肌肉组织,但对一些植物来说,表面张力可以起到肌肉的作用。以牻牛儿苗属植物为例,其果实与鸟类的喙很相似。在果实内部,每颗种子都能生长出几厘米长的芒,这种枝条状的“尾巴”有两大作用。首先,这些芒在果实内部是伸展开的,当果实由于干燥而发生干裂时,这些芒会在发生干裂的同时将果实包裹起来,把储存于其中的能量释放出来。此外,芒还会将果实的种子往地面输送,完成“播种”任务。当种子接触地面时,芒会在白天卷起,在夜间展开,以这种“水滴石穿”的方式将种子种到土壤里,其播种速度每天只有1毫米左右。

在国外,小龙虾已经成为一种典型的研究格斗及社会行为的实验动物。这家伙是真正的天生暴力狂,只要对方超过安全距离,出现在视线范围内,就会举起双螯摆出攻击的姿势。它们通过打斗来确立社会等级地位,社会等级高的螯虾会占有更多的资源,如配偶、食物、隐蔽所等。一旦社会等级建立起来,等级高的小龙虾就会摆出胜利者的姿势,不断去逼近和攻击对手,而地位低的小龙虾就摆出失败者的姿态,只能屈服和退却。但是它们的这种社会等级序列并非一成不变,当有入侵者存在时,本来一对确立社会等级的小龙虾就有可能改变支配关系。

韩国首尔国立大学机械工程师 Ho-Young Kim
发现,表面张力在上述过程中起主导作用。通常情况下,表面张力使水滴呈球状,从而将空气—水界面的接触最小化。但是当水滴落在一处对水分子有强吸引力的界面上,且这种吸引力强过水本身对水分子的吸引力时,水滴就会发生扩散,并将接触面弄湿。
Kim
发现,牻牛儿苗属植物及另一种能够完成自我播种的植物——天竺葵属植物的芒是由大量木质素纤维和果胶纤维组成的,而这些材料具有亲水性。当空气湿度高时,这些纤维能快速吸收水分。
Kim
解释道:“当这些组织吸收水分后会发生膨胀,使得芒从原本干燥卷曲的状态转变为伸展状态。当空气湿度低时,这些纤维会将水分释放出来,其体形缩小,使得芒又从伸展状态回到卷曲状态。”

小龙虾适应能力超强,无论是湖泊、河流、池塘、河沟、水田均能生存
,甚至在一些鱼类难以生存的水体也能存活;耐低氧,在一些低污染的环境中也能生存。几乎什么都吃,从各种鲜嫩水草、高等植物碎片到水中的底栖动物、浮游动物甚至各种鱼、虾的尸体等。在刚蜕壳的时候,小龙虾会变得全身柔软,活动力下降,守在一旁饥肠辘辘的虾有时还会趁机攻击并吃掉“软壳虾”。

Kim
将两组植物的种子置于一台力传感器上,并人为提高空气湿度,用以衡量牻牛儿苗属展开芒时的力量。他还以玻璃微珠为材料设计了各种不同型号的“土壤”,专门用来测试该植物播种力量的极限。
Kim 称:“这股力量足以穿透土壤。”

(图片来自wiki commons)

叶子的“雨衣”

曾几何时还被列为外来入侵物种

人厌槐叶苹是一种水生蕨类植物,它能够为水下部分的树叶披上一层薄薄的“空气衣”。这层薄薄的空气使其水下部分也能进行光合作用和换气。工程师一直想在船身外侧设计出一种类似的空气层,从而减少阻力,节省燃料。但到目前为止,没有人能让空气层维持下去。

由因超强的适应能力,再加上杂食性和非常快的生长速度,使得小龙虾在我国列为成为分布极广的外来入侵物种之一。

为此,德国波恩大学名誉生物学家 Wilhelm Barthlott
与同事决定探寻人厌槐叶苹维持空气层的奥秘。通过研究人厌槐叶苹树叶表面的微观结构,他们发现这种植物的表皮上长有2毫米长的绒毛,每4根绒毛为一簇,簇与簇的间隔非常规律。这些绒毛本身具有疏水性,但其尖端却具有亲水性。表面张力将空气—水界面“钉”在这些绒毛的尖端,使空气层不会因为水流而破裂。

小龙虾还拥有遁地的本领,喜欢并善于掘洞。在自然条件下,洞穴为抵御极端环境条件提供了必要的保护,也是小龙虾互相争夺的重要资源。人工养殖通常也会放置一些人工洞穴来减少小龙虾之间的打斗,以降低其死亡率。

比利时列日大学生物学家 Matthias Mayser
说,人厌槐叶苹还能抵御雨水的冲击。对此, Mayser
解释道:“如果绒毛间的空隙已被雨水填满,植物的水下部分是无法形成空气层的。而雨水的表面张力使其外形呈球状——从而避免穿透绒毛间的缝隙,使空气层得以维持。”

暴力的小龙虾还会有食幼行为。在孵出幼体后,母虾会保护它的孩子完成幼体阶段的生长发育。但当幼虾发育到一定阶段可离开母体自由活动时,如果不及时分离母虾和幼虾,母虾有时甚至也会吃掉自己的孩子。

在百合花间低飞

真龙虾在哪?

水百合甲虫一生中绝大部分时间徘徊于百合花叶之间,但美国斯坦福大学物理学家
Manu Prakash
发现了它们的一种奇异行为。在花叶间移动时,这种昆虫从不起飞,而是紧贴水面飞行。他想弄清这种奇异的飞行方式是否受到了表面张力的影响。

(图片来自lingd.net)

Manu Prakash 与他的研究生 Haripriya Mukundarajan
将水百合甲虫的飞行过程拍摄下来,并通过电子显微镜仔细观察其身体构造。他们发现,每只甲虫身上都覆满了绒毛。更进一步的测试显示:这些绒毛使得甲虫具备超疏水性。唯一一处没有绒毛的部位是甲虫的爪子,相应地,这使得其足部具备亲水性。
Prakash
怀疑,甲虫的躯体和腿部被水的表面所排斥,而其具备亲水性的足部能够使它们黏在水上。

在餐桌上,还有一类名为“澳龙”的虾也极受吃货们欢迎,它会是真正的龙虾吗?

通过录像,他们发现当甲虫飞行时,会将6只爪子中的4只浸入水中,与此同时抬起中间部位的2只。对此,
Prakash 解释道:“如果没有表面张力,当甲虫振动翅膀时它就会飞离水面。”

真正的龙虾是节肢动物门甲壳纲十足目龙虾科4个属19种虾的通称,这类“龙虾”可是没有像克氏原螯虾那样的大钳子的。但与我们更常吃到的小龙虾相比,这类海产龙虾与其也存在一些共同特点:包括都属于拥有5对步足和5对游泳足的十足目;血液都没有血红细胞,呈蓝色;壳中含大量虾青素,煮熟后呈红色。

虽然掠过水面的姿势看上去非常古怪,但对于水百合甲虫来说这是一种比完全依靠翅膀飞行更加有效的移动方式,因为从树叶上起飞非常浪费时间和精力。唯一不足之处在于,如果甲虫飞得太快,会在水面上泛起涟漪,反过来会阻碍它继续前进。

据中国物种信息服务CSIS记录,这类海产龙虾在我国有10种。我们主要食用的中国龙虾(Panulirus
stimpsoni)
是我国海区特有而重要的经济种类,分布于我国东南海区,自然条件下栖息于40
米深以内的沿岸水域,隐匿于岩礁的洞穴内,昼伏夜出,体形较大,产量也较大。

病原体的“空中旅行”

(锦绣龙虾 图片来自blueanimalbio.com)

表面张力还能帮病原体进行“空中旅行”。喷嚏和咳嗽会在空气中形成一大片水滴,而病毒则栖身于这些水滴中。表面张力不仅决定着每一个水滴的大小、外形和破裂速度,还影响其在空气中的传播速度。此外,气温和湿度也会对水滴的维持时间产生影响。

在我国东海和南海,还分布有一种身上有美丽五彩花纹的锦绣龙虾,它最大可达6千克,不过产量并不大。

美国麻省理工学院应用数学家 Lydia Bourouiba 和列日大学流体力学工程师
Tristan Gilet
将研究重点放在雨水对植物疾病传播的影响上。农业专家早就知道植物疾病的传播在雨后会更迅速。
Bourouiba 和 Gilet 怀疑落下的雨点是植物疾病传播的“帮凶”。

澳洲龙虾—“澳龙”是真正的龙虾吗?

由于树叶本身具有疏水性,雨水落在树叶上将形成离散的水坑而不是薄薄的一层水膜,因此雨水能将病原体吸附在内。他们拍摄的录像显示,当一滴雨水正好落在一处水坑旁时,它将溅起水坑内部分或全部的水。水滴的飞溅距离由树叶的大小和弹性决定。较小树叶在受到雨水冲击时会发生弯曲,飞溅效果并不显著;而较大树叶则能抵御这种影响,飞溅出的水滴能传播得更远。

爱吃海鲜的人一定知道“澳龙”,即澳洲龙虾。不过,由于错乱的英译名、各地不同的俗称造成各物种叫法混淆,这一俗称具体指哪些虾已无法考证。不过,常吃的“澳龙”可以简单区别为海水与淡水虾。一种英文名为red
rock lobster或southern rock
lobster的海产“澳龙”,它也是真正的龙虾科成员,其头胸部呈圆筒形,体壮色艳,未熟之前已是混身红色,甲坚硬,多棘,两对触角发达,肉质鲜美,重达数千克,价格也足以使普通人望而却步。据媒体报道,澳大利亚的业余潜海家恩迪尔曾在新南威尔士州海域发现一只巨大龙虾,一过秤竟重达106千克。

雨水传播病毒的效果会受到病原体密度及水滴大小的影响。但是, Bourouiba 和
Gilet 的研究显示,植物的间距越大,病毒传播的影响越小。

(澳洲龙虾)淡水“澳龙”通常指的则是原产于澳大利亚的红螯螯虾(Cherax
quadricarinatus),它属于十足目、拟螯虾科、光壳虾属,也不是真正的龙虾科成员。这种虾的体色会随栖息环境的变化而变化,一般为蓝绿色或褐绿色,外形酷似海水中的龙虾。

从昆虫的移动到增加农作物的产量,一个简单的物理现象不仅能使人们理解微观世界的奥秘,还能帮助人们化解世界难题。

由于成体雄虾第一对螯足的大螯外侧有一柔软膜质的鲜红斑块,红螯螯虾因而得此名。

需要注意的是,和其他许多动物一样,在这些虾的人工养殖中,人们为了追求更好的口味或者产量,会培育出一些新品种。因此,由于引进物种和养殖新品种的问题,不管是小龙虾还是龙虾,真要想把餐桌上你吃的那货的真实身份精确的鉴定出来,难度还真不低。

(本文源于果壳网,本文经”水花鱼”编辑、内容有增减)