空气潜水服了解一下 | Nature and You
本文由”科考夫瞭望“与公众号“我是科学家”(原“果壳科学人”) 联合出品
撰文 | 陈欣泓
编辑 | 小柒 石悦琳
审稿 | 丁霄哲
如果你是个有狗/猫的人，你会看到再帅气的狗子与再高贵的喵主子在与水亲密接触后都会失去平日的王者风范，原形毕露。
碰水后帅气不再的狗子们
图片来源：https://www.pinterest.com/pin/
出浴后风范尽失的猫主子们
图片来源：https://www.boredpanda.com/funny-wet-cats/
而如果让你把昆虫和水联系起来，你会首先想到这样的画面。
水上漂的水蟋蟀（Velia caprai
图片来源：http://www.uk-wildlife.co.uk/dt_gallery_category/aquatic-insects/
乍看上去，昆虫们似乎可以淡定地在水面“凌波微步”，并不会“湿身”。然而如果你强行将它们摁进水里，大部分昆虫还是会变得湿漉漉，被困水中，无法挣脱，比你家汪／喵主子也好不到哪去。
湿身之后被困在水里的昆虫
图片来源：https://www.flickr.com/photos/subsetsum/3863094611/in/photostream/
然而，凡事都有例外。150年前的一天，美国文豪马克·吐温来到优胜美地国家公园旅行，当他漫步在Mono Lake湖畔的时候，他见到了不同寻常的景象（这段经历收录在他著名的半自传体小说《Roughing it》中）。总在身边“嗡嗡嗡”地烦人的碱蝇（Ephydra hians，因生活在强碱性水附近而得名Alkali Fly）能够自如地潜入湖水中进食苔藓和产卵，“你可以把它们随意地放在水中，无论多久都行，它们一点都不在意，而只会为此感到骄傲” [1]。更令人惊叹的是从水中出来的碱蝇身上却仍干燥如初，丝毫没有半点水珠，深藏功与名，“当你在水中放开它们的一刻，它们轻松地浮上水面，出水时比一份刚出炉的专利局文件还干燥” [1]。
马克·吐温和他的半自传体小说《Roughing it》
图片来源：http://torontopubliclibrary.typepad.com/trl/2015/09/mark-twain-in-toronto.html
一只潜水后悠哉地浮上水面的碱蝇 [2]
这些碱蝇到底是如何做到“入水而不湿”的？如果你凑近一点，你会看到当碱蝇沿着凸出水面的石灰岩爬入水中的一刻，它在自己的身体和翅膀周围形成了一个气泡，将自己的大部分包裹在了气泡里（口器还是暴露在外面，毕竟要用来吃饭），仿佛在进入水里的一刻给自己穿上了一套空气潜水服。在它完成进食之后会就会放开水底部的石灰岩，让自己漂浮起来，在到达水面的一瞬间，身体周围的气泡破裂，碱蝇也顺势飞离水面。虽然我们知道了这层“空气潜水服”是让碱蝇全程保持干爽的关键，但是对这套空气潜水服产生的具体机制却几乎一无所知。
身着“空气潜水服”的碱蝇 [2]
Mono Lake中正在潜水的碱蝇 [2]
150年后的今天，追随着马克吐温的足迹，加州理工学院的Michael Dickinson教授带领团队又一次拜访了Mono Lake，希望能为我们揭开碱蝇这套“空气潜水服”背后的秘密。
Michael Dickinson教授
图片来源：https://dickinsonlab.caltech.edu/people/michael-dickinson/
当他们到达Mono Lake的时候，他们首先意识到的是碱蝇能够在这样条件下存活本身就是个奇迹。Mono Lake风景美轮美奂，但由于其强碱性的湖水，其实是个“生物的坟墓”，只有极少数的藻类才能够在这样的极端条件下生存，但是碱蝇似乎在此生活得十分自如。在如此极端的条件下产生的“空气潜水服”，极有可能是环境（湖水）与碱蝇自身相互作用的结果，因此他们决定从这两个角度着手进行研究。
美丽却暗藏杀机的Mono Lake
图片来源：https://photorator.com/photo/21993/
想要研究碱蝇为啥能有“空气潜水服”这不湿身的本领，我们需要有可定量的指标和实验来衡量我们实验对象的“湿身程度”。Dickson等人机智地使用了一个叫做“恢复功”的概念来实现这个目的。碱蝇在入水和出水时都需要克服阻力做功。如果我们将碱蝇进入水中那一刻所做的功与离开水面所做的功相减获得的值称为“恢复功”（Recovered Work），这个差值越小（甚至变成负的），就说明碱蝇出水时相对于入水时需要做越多额外的功，也就说明碱蝇出水时越“拖泥带水”。因此如果用一句话总结这个知识点，那就是恢复功越小，实验对象“越湿”，实验液体就对入水的朋友越不友好。
为了测定这个恢复功，Michael团队设计了一个巧妙的装置，将昆虫固定在小棒后将昆虫“摁入”水中，随后再将其拉出水面，在这个过程中结合光学感应设备来测定昆虫进入水面与离开水面所需要的力和运动距离，从而计算出恢复功，测定实验对象“湿不湿身”。
测定出入水面所需力的装置图及数据示例 [2]
测定恢复功示意动图 [2]
Michael团队首先利用这个装置对Mono的湖水进行了研究。他们发现Mono Lake的湖水中含有大量的碳酸钠（俗名“苏打”），而这使得大多数实验材料离开湖水十分费力，恢复功极小，说明高浓度的碳酸钠让湖水对昆虫来说更加危险，因为昆虫在这样的湖水中会变得更湿，从而更加难以离开水面，碱蝇在这样的条件下还能保持不湿就更为令人惊叹。随后他们拿各种与碱蝇体长类似[3]的蝇类在Mono Lake的湖水中进行实验，发现碱蝇确实天赋异禀，其他蝇类在这样的湖水中都变得非常“湿”，进入水中后就难以逃脱，只有碱蝇“毫不湿身”（恢复功较大），也进一步证实了他们对于Mono Lake湖水的判断。
各类蝇类的湿身程度, 恢复功越小，“越湿” （红框内是碱蝇） [2]
在湖水中湿了身的海带蝇 [2]
如果仅仅考虑湖水本身，它似乎在让碱蝇“不湿”这件事情上更多是“帮倒忙”的作用，因此研究团队决定去看看碱蝇本身有何特殊之处。首先他们用扫描电镜对比了碱蝇与其他蝇类身体表面物理显微结构的不同，发现相比于其他蝇类，碱蝇表面覆盖着的刚毛最为密集，随后团队对刚毛密度与湿身程度进行了相关性分析，发现拥有更多刚毛的蝇类湿身程度较低。但是，密集的刚毛是让碱蝇“不湿身”的一个因素，但不是唯一的因素，因为碱蝇的虽然刚毛密度最大但也只比海带蝇（Fucellia rufitibia）多了15%，而海带蝇的湿身程度在同样的实验条件下却严重得多。
各种蝇类表面的显微结构（红框内的碱蝇表面有密集刚毛） [2]
在探究了表面物理结构的不同之后，研究团队对其表面泛着光泽“Bling Bling”的“贴身衣物”产生了兴趣，于是他们对这层贴身衣物进行了化学成分分析。通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS），他们发现其中大部分为二十五烷及二十七烷这两类长直链烷烃，这一组成与其他蝇类的“贴身衣物”都不同。（丧心病狂的）研究团队让这些碱蝇在实验前先去有机溶剂里洗了个澡，表面的长直链烷烃们在浴池里都被有机溶剂洗掉了。在实验中，贴身衣物被洗没了的碱蝇在Mono Lake的湖水中失去了往日的神气，入水之后就像其他蝇类一样湿了身。这一结果除了说明了这两类长链烷烃在不湿身这一超能力中的重要作用之外，还在无意中解释了他们在Mono Lake实地考察时观察到的一个有趣的现象。
碱蝇表面主要覆盖的是直链的二十五烷和二十七烷 [2]
在Mono湖的时候，他们发现当他们站在湖边时，在他们附近的湖面上就会有一些碱蝇似乎“紧张”得瞬间失去了“不湿身”的超能力，在进入水中后就被困在了其中。他们一开始十分疑惑，难道是这些碱蝇见到他们激动得把那层“贴身衣物”都脱了（误），在看到有机溶剂浴池对碱蝇的作用后，他们才意识到，原来这都是研究团队身上防晒霜的锅！当他们站在湖边的时候，身上有一些防晒霜会随着汗液滴落到附近的湖水中，防晒霜中的一些油类物质也会随之进入湖水，而这些油类物质是能够溶解碱蝇身上的直链烷烃的，所以碱蝇在附近这些被防晒霜“污染”的湖水中也自然就丢失了不湿身的超能力。为了更严谨地探究这一问题，研究团队还在实验室里通过向湖水加入了不同品牌，不同浓度防晒霜成功重复出了上面这个现象。
防晒霜里的油质让碱蝇湿了身
通过上述的一系列实验，研究团队证实了密集的刚毛与身体表面覆盖的长直链烷烃都是让碱蝇不湿的关键条件，但是我们还是必须解释为什么含有高浓度碳酸钠的湖水本身会让昆虫变得更湿，但是与碱蝇表面这些特殊的物理结构和化学组成相结合后反而能对其“不湿”起到积极的作用。
为了进一步解释这个问题，我们首先需要简单地了解固液接触时的表面机制。在液体与像碱蝇那样的粗糙表面相互接触时主要有两种状态：在第一种状态下，气体会填满粗糙表面的间隙，就类似于碱蝇的那层“气体潜水服”，固体表面就不会湿，这种状态称为Cassie-Baxter状态；在第二种状态下，液体取代了表面间隙的气体，从而让整个固体表面变得很湿，这种状态称为Wenzel状态。
固液接触时的两种状态 [2]
固液接触后呈现这两种状态中的哪一种取决于接触面的电荷相互作用等因素。在高浓度碳酸钠的湖水中，与昆虫表面接触的液体带微弱的负电荷，并通过一种称为“双电子层”的效应增加了粗糙表面与湖水间的静电吸引力，呈现出了Wenzel状态，使得大多数昆虫更易湿身；而碱蝇表面的密集刚毛与非极性的直链烷烃有效地将这层双电层与昆虫表面隔离开来，从而大大减少了碱蝇表面与湖水间的静电吸引力，从而呈现出了Cassie-Baxter状态，给予了碱蝇这层“空气潜水服”。
这一结果不仅解答了我们150年来对于碱蝇超能力——“入水而不湿”的疑惑，为我们展示了生物适应极端环境条件的智慧与能力，同时也为疏水性材料等的开发提供了新灵感。或许在不久的将来，漫威和DC超级英雄的“仿生学”超级英雄派系中也会出现一位新成员——“疏水侠”。
未来“疏水侠”的原型
*特别感谢小柒老师对本文修改提供的帮助！
注：
[1] 翻译自马克·吐温半自传体小说《Roughing it》一书。
[2] Van, F. B., & Dickinson, M. H. (2017). Superhydrophobic diving flies (ephydra hians) and the hypersaline waters of mono lake. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(51), 201714874.
[3] 有观点认为昆虫的体长能够影响其接触水时的表面张力，从而影响其出入水的能力。
本文由”科考夫瞭望“与公众号“我是科学家”(原“果壳科学人”) 联合出品
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