緩步動(dòng)物（tardigrade）是一類(lèi)非常奇妙的微小生物，它們有一個(gè)更為人熟知的名字——水熊蟲(chóng)。
這是一種獨(dú)特到科學(xué)家們只能將其單獨(dú)歸為一門(mén)的微型動(dòng)物，這種動(dòng)物具有種種神奇的“技能”，比如它們能在接近絕對(duì)零度的條件下生存，能承受超過(guò)水的沸點(diǎn)的熱量，它們可以對(duì)能夠致人類(lèi)死亡命的輻射劑量“不屑一顧”，還可以在真空環(huán)境下輕松存活……最近有一項(xiàng)研究表明，哪怕是用瞬間的超高沖擊壓對(duì)它們進(jìn)行撞擊，它們也可以安然無(wú)恙。（詳見(jiàn)《這次，它們承受住了825m/s的撞擊》）
現(xiàn)在，在一項(xiàng)新的研究中，吸引了科學(xué)家們的注意的是這些身長(zhǎng)大約只有0.5毫米的微小生物的“腿”。他們發(fā)現(xiàn)，緩步動(dòng)物可能是地球上最小的有腿動(dòng)物，它們擁有一套獨(dú)特的“多功能”移動(dòng)工具。
在這篇?jiǎng)倓偘l(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》的新研究中，研究人員通過(guò)用高速攝影記錄了水熊蟲(chóng)行走的步態(tài)，發(fā)現(xiàn)水熊行走的方式與體型是其50萬(wàn)倍的昆蟲(chóng)極為相似。
當(dāng)科學(xué)家在18世紀(jì)第一次觀察到緩步動(dòng)物的獨(dú)特的笨拙步態(tài)時(shí)，就賦予了它們“水熊蟲(chóng)”這個(gè)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)笨笨呆呆的名號(hào)。水熊蟲(chóng)已經(jīng)進(jìn)化到可以在各種環(huán)境中移動(dòng)，無(wú)論是在淡水、海洋，還是陸地上，它們都可以憑借8條粗短的腿，以一種穩(wěn)健的方式四處移動(dòng)。
這樣的現(xiàn)象引起了科學(xué)家的好奇，他們想知道：為什么水熊蟲(chóng)能進(jìn)化成為一種會(huì)走路的動(dòng)物？要知道，像水熊蟲(chóng)這種又小又軟的動(dòng)物很少有腿，它們幾乎從不走路。比如大小相似的蠕蟲(chóng)只會(huì)四處游動(dòng)，在不可預(yù)測(cè)的底質(zhì)上滑動(dòng)它們面團(tuán)一樣柔軟的身體。
在新的研究中，洛克菲勒物理與生物研究中心的研究員Jasmine Nirody和她的同事在光學(xué)顯微鏡下耐心地觀察水熊蟲(chóng)。在沒(méi)有受到任何人為干擾的情況下，他們觀察到水熊蟲(chóng)有時(shí)候很冷靜——它們只想在底質(zhì)中漫步；但有時(shí)它們又會(huì)在看到自己喜歡的東西時(shí)就朝它跑過(guò)去。
Nirody發(fā)現(xiàn)，在最悠閑的時(shí)候，水熊蟲(chóng)的速度大約是每秒半身長(zhǎng)；而在全速奔跑的情況下，它們?cè)谝幻氲臅r(shí)間內(nèi)能大步向前邁出兩個(gè)身體的長(zhǎng)度。
研究人員測(cè)量了水熊蟲(chóng)在兩個(gè)不同剛度的底質(zhì)上行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)。在觀測(cè)過(guò)程中，他們驚訝于水熊蟲(chóng)在獲得動(dòng)力時(shí)腿與腳下的底質(zhì)的接觸。他們發(fā)現(xiàn)，水熊蟲(chóng)的對(duì)側(cè)腿之間的步調(diào)是靈活的，而身體的同側(cè)協(xié)調(diào)在各個(gè)環(huán)境下都保持不變，這與在昆蟲(chóng)和甲殼類(lèi)動(dòng)物中觀察到的情況尤為相似——盡管它們?cè)诖笮『凸趋澜Y(jié)構(gòu)上存在顯著差異。
此外，與脊椎動(dòng)物不同的是，脊椎動(dòng)物的每一種速度都對(duì)應(yīng)于不同的步態(tài)，而水熊蟲(chóng)的奔跑更像昆蟲(chóng)，可以在不改變其基本步態(tài)的情況下以更快的速度奔跑。此外他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水熊蟲(chóng)在較軟的底質(zhì)上行走時(shí)，會(huì)將運(yùn)動(dòng)調(diào)整為“疾馳”的模式，這種策略也出現(xiàn)在節(jié)肢動(dòng)物身上——當(dāng)它們?yōu)榱四軌蛟诹鲃?dòng)的底質(zhì)或顆粒底質(zhì)上高效移動(dòng)時(shí)。
水熊蟲(chóng)為何會(huì)與體型更大、身體更硬的昆蟲(chóng)有著相同的移動(dòng)策略呢？這其中可能隱藏著一些怎樣的進(jìn)化問(wèn)題？
一種可能的解釋是，雖然緩步動(dòng)物一直被認(rèn)作為一種完全不屬于任何已存在的分類(lèi)的動(dòng)物，但它們有可能與果蠅、螞蟻和其他節(jié)肢動(dòng)物擁有共同的祖先，甚至擁有共同的神經(jīng)回路。事實(shí)上，一些科學(xué)家主張將緩步動(dòng)物歸類(lèi)為所謂的“泛節(jié)肢動(dòng)物”（panarthropod）的進(jìn)化支，這是一個(gè)涵蓋了好幾個(gè)不同的動(dòng)物門(mén)的類(lèi)群概念，它將昆蟲(chóng)、甲殼類(lèi)動(dòng)物、蠕蟲(chóng)和水熊蟲(chóng)都?xì)w類(lèi)在一起。
另一種可能性是，緩步動(dòng)物和節(jié)肢動(dòng)物之間雖然并沒(méi)有共同的祖先，但這兩類(lèi)互不相關(guān)的生物群體各自獨(dú)立地采用了相同的行走和奔跑策略，因?yàn)樗鼈兙哂羞M(jìn)化上的優(yōu)勢(shì)。比如若想要以如此微小的身軀在不可預(yù)知的地方移動(dòng)，最好的方法可能就是像水熊蟲(chóng)這樣——笨拙地行走。
Nirody認(rèn)為，這兩種猜測(cè)同等有趣。她說(shuō)：“如果是某種古老的神經(jīng)系統(tǒng)控制了所有泛節(jié)肢動(dòng)物的行走，那么有待我們發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)的東西一定還有很多。而另一方面，如果節(jié)肢動(dòng)物和緩步動(dòng)物是各自獨(dú)立地發(fā)展出了相同的移動(dòng)策略，那么我們就可以好好研究一下為何對(duì)于不同環(huán)境下的物種來(lái)說(shuō)，這種策略如此優(yōu)越了?！?/p>
研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)除了能夠?qū)M(jìn)化生物學(xué)和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)學(xué)產(chǎn)生影響之外，還可能對(duì)軟機(jī)器人和微型機(jī)器人領(lǐng)域產(chǎn)生影響。通過(guò)研究這些微小動(dòng)物在不同環(huán)境中的移動(dòng)，科學(xué)家們或許能設(shè)計(jì)出可以更有效地?cái)D進(jìn)微小空間的機(jī)器人，或者是可以在微觀尺度下操作的機(jī)器人。研究人員表示，緩步動(dòng)物將會(huì)是研究軟體動(dòng)物的微小運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要窗口。
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：
文：糖獸
#參考來(lái)源：
https://www.rockefeller.edu/news/30904-the-physics-behind-a-water-bears-lumbering-gait/
https://www.pnas.org/content/118/35/e2107289118
#圖片來(lái)源：
封面圖來(lái)源：Frank Fox, licensed under CC BY-SA 3.0 DE
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