飞檐走壁，倒挂金钟……壁虎：我只是个平平无奇的武林天才罢了

原创 郭怿暄 我是科学家iScientist

记得儿时的夏日，偶尔会在家里的墙壁和屋顶上看到爬来爬去觅食的壁虎，无论垂直的墙壁、高高的天花板甚至是光滑的玻璃，它们飞檐走壁，如履平地。

飞檐走壁的技术支持

最初，科学家们猜测壁虎的脚底是不是存在某种粘液或者吸盘，使得它们的脚可以紧紧地粘在物体表面，但既然粘性很大，它们又是如何在不同物体表面进行移动的呢？2000年，发表于《自然》杂志的一项研究第一次让我们看到了壁虎与众不同的脚掌。

科学家们对大壁虎（Gekko gecko）的研究发现，壁虎的脚掌并非平坦光滑的，没有粘液，也没有吸盘。相反，脚掌上充满了褶皱，每只壁虎的脚有5个趾头，每个趾头上有大约20个重叠薄片结构（lamellae），每个层状结构都是由直径约5微米、长约110微米的刚毛（setae）构成，而在每根刚毛的末端则又分出了100-1000个长约200纳米的绒毛（spatula），而这些一级一级的结构共同组成了壁虎脚掌吸附系统的精细结构。

大壁虎脚掌的结构 | 参考文献[4]

那么，这套系统能否产生足够的吸附力支持壁虎在任何表面上闲庭信步呢？科学家们对壁虎脚掌所能产生的吸附力进行了测量，发现刚毛与接触物体表面之间的相互作用（范德华力）产生了吸附，单根刚毛能产生的平均最大吸附力约200微牛顿，尽管这种分子间作用力较弱，但如果壁虎同时使用一只脚上的所有刚毛，并且达到最大吸附，那么单脚可产生100牛顿的吸附力——差不多单脚吸在墙上，就能带起约10千克重的物体。

不过，实际上壁虎并不会同时使用所有刚毛，每根刚毛也不一定达到最大吸附值，因此，实际测量到壁虎肢体吸附力约在1.33牛顿到8.12牛顿间，而这也足以将它们几十克、至多百来克的身体挂在墙上了。

和脚掌相似的粘性尾巴

除了飞檐走壁，有21个属的壁虎还掌握着另一门绝技——倒挂金钟。它们的尾巴足以支持体重，让它们可以倒挂在物体上。

倒挂金钟的睫角守宫 | Twitter @tony_gamble1

睫角守宫（Correlophus ciliatus）就是掌握这门“武林”绝学的一员。2021年6月，来自美国马凯特大学（Marquette University）的托尼·甘布勒教授（Tony Gamble）带领团队发表在《皇家学会报告B》上的一项研究，为我们揭开了睫角守宫倒挂金钟的秘密。

托尼·甘布勒教授团队使用扫描电子显微镜对睫角守宫的尾巴进行了观察，他们发现了与壁虎脚趾上非常相似的结构：尾巴腹侧远端的尖端由长长的、末端分支的刚毛覆盖着，这个区域在最远端的13~16排层状结构形成了吸附垫（tail pad），而近端的鳞片则由短且不分支的小刺构成。在刚毛的密度上，尾巴与脚趾上非常接近。

睫角守宫的尾巴 | 办公室同事供图

睫角守宫尾巴扫描电镜图 | 参考文献[5]

经过测量，尾巴可以产生0.22牛顿到1.19牛顿的吸附力，并且随身形的增大而增加。体型最大的壁虎尾巴可以提供自身重量2.45倍的吸附力，而中等大小的壁虎尾巴能提供自重5.57倍的吸附力。

睫角守宫依靠尾巴倒挂 | 参考文献[5]

尾巴上的吸附结构是什么时候产生的呢？研究者们通过对睫角守宫胚胎发育中脚趾和尾巴进行扫描电镜成像，为我们完整地展现了尾巴吸附结构的产生过程。尾巴尖的形状在整个发育过程中出现了很大的变化，起初是尖尖的，而后末端逐渐变得宽且钝。尾巴上吸附垫的发育与脚趾吸附垫的发育同步，并且发育过程中经历的主要步骤都非常相似。从演化角度来讲，科学家们认为尾巴吸附垫与脚趾吸附垫可能具有系列同源性，就像人类的胳膊和腿是同源的。

睫角守宫脚趾和尾巴的发育 | 参考文献[5]

不过，这条具有粘性的尾巴也不是“完美”的。断尾是绝大多数壁虎的一项基本技能，在受到惊吓时可以迅速将身体与尾巴分离、逃脱，经过一段时间尾巴可以再生出来。然而科学家们在实验中观察到，睫角守宫这种具有吸附垫的尾巴似乎丧失了再生的本领，在断尾后，再也无法再生出一条完整的尾巴了。既然获得了倒挂金钟这门武林绝学，就好好珍惜吧。

参考文献

[1]Autumn K, Sitti M, Liang Y A, et al. Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2002, 99(19): 12252-12256.

[2]Autumn K, Liang Y A, Hsieh S T, et al. Adhesive force of a single gecko foot-hair[J]. Nature, 2000, 405(6787): 681-685.

[3]Yu J, Chary S, Das S, et al. Gecko‐inspired dry adhesive for robotic applications[J]. Advanced Functional Materials, 2011, 21(16): 3010-3018.

[4]Hansen W R, Autumn K. Evidence for self-cleaning in gecko setae[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2005, 102(2): 385-389.

[5]Griffing A H, Sanger T J, Epperlein L, et al. And thereby hangs a tail: morphology, developmental patterns and biomechanics of the adhesive tails of crested geckos (Correlophus ciliatus)[J]. Proceedings of the Royal Society B, 2021, 288(1953): 20210650.

[6]https://www.iflscience.com/plants-and-animals/crested-geckos-have-sticky-tails-that-can-hold-five-times-their-weight/

作者：郭怿暄

编辑：悲催的铊宝宝 酥鱼

排版：洗碗

题图来源：@AaronHGriffing/Twitter

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原标题：《飞檐走壁，倒挂金钟……壁虎：我只是个平平无奇的武林天才罢了》

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