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《科学》封面：壁虎断尾逃生的真相，被这群科学家揭开了[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]
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学术经纬 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-02-17 15:30
为了躲避捕食者的攻击，许多动物演化出了令人惊叹的逃生绝技。其中，壁虎的断尾求生技能令人印象深刻。包括壁虎科在内，蜥蜴亚目的部分物种在遇到危险时，尾巴可以迅速脱落，从而分散捕食者注意力，为逃生赢得时间。不久之后，壁虎会长出一条缺少了神经与骨骼的软骨“假尾巴”——不够完美，但足以令它们活下去。
对于人类来说，蜥蜴的这项能力当然羡慕不来，但如果能揭开它们断尾求生的机制，无疑将对再生医学、仿生材料等领域起到推动作用。
不过，这些蜥蜴能在关键时刻迅速断尾的具体机制尚不明确。具体来说，整个过程涉及两个问题：正常情况下，尾巴是如何与身体牢固相连的；遇到危险时，又是通过什么方式快速断裂的？
▲蜥蜴通过断尾的策略，为自己赢得逃生机会（图片来源：Shiji Ulleri/Wise Monkeys Photography）
此前，已经有科学家发现了蜥蜴尾巴分段结构的线索：蜥蜴的尾巴包含了多个应力较弱的断面，在这里，就如同插座与插头的关系，远端（更靠近尾巴末端）的楔形肌肉组织“插”进近端，从而形成连接。不过按理说，这样的结构即使是在正常情况下，应该也很容易断开；但蜥蜴却能保证牢固的连接，说明这个结构一定还藏着其他秘密。
在本周《科学》杂志的封面文章中，纽约大学的研究团队对两个壁虎科和一个蜥蜴科物种的尾巴进行了细致的研究。这一次，他们看见了断面在微米甚至纳米尺度上的细节，并为我们描绘出蜥蜴实现断尾的精妙策略。
在扫描电子显微镜下，这些蜥蜴尾巴的断面均显示出层级特征：在亚毫米尺度上，每个断面远端的楔形肌肉组织上布满了蘑菇状的微柱；同时，这些微柱表面还密集排布着大量纳米孔。
▲扫描电镜揭示了蜥蜴尾巴断面的微柱与纳米孔结构（图片来源：参考资料[1]）
接下来的仿生学模型证实了，正是这些纳米尺度的微小结构，解释了蜥蜴尾巴在安全状态下的牢固连接。研究团队分别制造了包含及不含硅质纳米孔结构的尾巴模型，在力学测试中，含有纳米孔的仿生尾巴明显更难以撬开。这些孔产生的细微缝隙，让尾巴可以更灵活地运动，而不会稍有不慎就断开。此外，在湿润状态下，有纳米孔存在时，毛细作用使得接触面的粘附力进一步增强。
安全状态下的稳定性得到了解释，那么在遇到危险时，这些蜥蜴又是如何迅速断尾的呢？研究团队发现，关键就在于蜥蜴拉动的角度。在高速摄影机下，他们观察到，当潜在的捕食者抓住蜥蜴的尾巴，它们会稍稍侧向弯曲自己的尾巴，然后猛地一拉，让身体与尾部瞬间分离；相反，如果没有侧向弯曲，而是笔直地发力，尾巴则很难脱离。
▲通过角度的弯曲，蜥蜴实现了尾部的瞬间脱离（图片来源：参考资料[1]）
随后的仿生学模拟也验证了这一点。这个结合了微柱与纳米孔的层级结构确保了尾巴在紧绷状态下的粘附力；而弯曲了一定的角度后，实现结构的分离就要容易得多。
作者指出，通过这个多尺度的层级结构，蜥蜴能巧妙地实现尾部连接的平衡——既不会连接过于薄弱而随时担心断开，也不会过于牢固而在危机来临时无法逃脱，这为它们的生存赢得了更大的空间。
同期的一篇观点文章点评道：“自切是自然界的一种成功的生存工具，这种在动植物界均普遍存在的策略让我们相信，它们有望在科学和工程领域具有更广泛的应用场景。”
参考资料：[1] Navajit S Baban et al., Biomimetic fracture model of lizard tail autotomy. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abh1614[2] Animangsu Ghatak， How does a lizard shed its tail? Science (2022) DOI: 10.1126/science.abn4949[3] Watch how a lizard cuts off its own tail to escape danger. Retrieved Feb. 17, 2022 from https://www.science.org/content/ ... -tail-escape-danger
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发表于 2022-2-18 22:46
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