不只是安全丝：跳蛛空中平衡的生物力学

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

不只是安全丝：跳蛛空中平衡的生物力学

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　　导读

　　有拉丝的跳蛛，它们可以在空中保持一定的姿势，在落地前稳住身体，平稳落地。

　　文/关贯之

　　漫画/鄂禹臻

　　我的研究领域叫做比较生物力学，是专门研究非人类的生物运动背后的物理原理，时常要跟不同领域的专家一起合作。由于专业背景的差异，沟通过程会产生许多分歧，其中一部分是来自对严谨的定义。

　　有一个故事是这样的：在一列英国的火车上，有三个科学家坐在一起，分别是生物学家、物理学家与数学家，他们正要参加一个科学聚会。此时火车经过一片草原，窗外有一只黑色的羊正在吃草。生物学家首先开口，他兴奋的说:「原来英国的羊是黑色的！」物理学家皱了皱眉头说:「你们生物学家真是不严谨，你只可以说英国的羊，这一只是黑色的。」然后数学家也皱了皱眉头说:「你们物理学家真是不严谨，你只可以说英国的羊，这一只，这一面是黑色的。」

　　这个笑话很生动的呈现了我研究过程中会遇到的场景，由于我自己是生物学背景，所以我通常就是闹笑话的那一个。生物学在动物行为这一方面，有很大一部分的研究基于观察。在描述行为的过程中，生物学家时常会加入主观的臆测，有时候并不完全正确。一个有趣的例子，就是跳蛛在跳跃的时候，为什么要在跳跃起点拉一条丝线?

　　跳蛛科是蜘蛛的一个科，这个分类群里的物种大多数不会结网，而是依靠跳跃捕捉猎物。可能是因为它们跳向苍蝇的动作大有猛虎扑兔之势，因此它们也被称作蝇虎。生物学家发现，虽然跳蛛不太会结网，但是他它腹部仍然会产生蜘蛛丝。跳蛛会在起跳前用腹部末端点一下地面，附着一条丝，等它跳起之后，腹部会一直拉着这条丝，就跟电影中的蜘蛛侠在纽约大楼晃荡一样。如果跳蛛没有跳达预定目标，从空中掉下去，这条丝可让它悬挂在空中，蜘蛛可以拉着丝回到原来位置，或是垂降到地面。因此，生物学家把这条丝称作安全丝，就像是攀岩时用的安全绳。

　　Marvel蜘蛛人(惊奇蜘蛛人vol.4#1封面)

　　然而具有较强物理背景的生物力学家，对这个说法产生了质疑。从人类的角度来说，从比自己身体高数十倍的位置摔落，当然是一件恐怖的事。但是跳蛛的身体又小又轻，空气阻力对其影响甚大，下落的终端速度应该不快，即使从高空落下，也不见得会受伤。有没有可能这条丝其实有别的功能呢?

　　首先针对这个问题进行研究的是一位高中生，陈永康。他就读台中一中时便对跳蛛拉丝的行为很感兴趣，因此他请了在中兴大学物理系任教的纪凯容博士指导研究。纪凯容博士是我大学专题的指导教授，我们曾经一起合作发现目前已知最快的生物运动速度。可惜陈永康进实验室的时候我还在念初中，没有机会认识。许多跳蛛研究的事情是后来听纪老师说的。陈永康和纪凯容等人以一种校园内常见的跳蛛，安德逊蝇虎(Hasarius adansoni)作为实验对象，在实验室中饲养27只跳蛛。接着，他给跳蛛设计了一个室内跳台，并且用高速摄影机记录安德逊蝇虎跳跃的过程。有趣的是，他发现其中5只跳蛛在跳跃的时候竟然不会从起跳点拉丝。这样一来，刚好有了对照组，可以比较拉丝与否对于跳蛛跳跃运动的影响。经过比较两者跳跃的影片，研究团队发现了这条丝线一个重要的功能：平衡。

　　平衡！这可是生物力学领域的热门项目。别看我们人类可以轻易地在走路、跑步或跳跃时保持平衡，对于机器人来说，平衡是非常难的，尤其是跳跃。一旦起跳时施力的反方向没有通过质心，身体便会在空中旋转，很难平稳落地。而陈永康等人在实验室观察到的跳蛛也发生类似的事情，没有拉丝的蜘蛛会在空中失去平衡，最后摔落在目标物上。反观有拉丝的跳蛛，它们可以在空中保持一定的姿势，在落地前稳住身体，平稳落地。