看过"水熊虫"走路吗? ——它的步态与 50 万倍大的昆虫很相似!

不到一毫米身长的水熊虫,是一种多细胞微小的生物,在18世纪被科学家发现,归类于缓步动物门,目前全球被发现大约有1000种,栖息地在淡水沉积物、苔鲜类的水膜以及少数种类栖息于海水的潮间带,在喜马拉雅山脉或深海都可以发现它们的身影。

听起来毫不起眼... 吗? 那你就错了,它可是目前是第一种被认证可在太空中生存的动物,堪称地表上最强的生物!

看过"水熊虫"走路吗? ——它的步态与 50 万倍大的昆虫很相似!插图 水熊虫在显微镜下的样子。 图/flicker, CC BY 2.0。

环境不太舒适? 那就假死一下吧

水熊虫体长通常在0.3-0.5mm左右,拥有头部和四个体节,身体的表面含有几丁质(节肢动物外壳的成分),拥有8只脚,末端有爪子、吸盘跟脚趾,在显微镜下观察,看到它们身形饱满、动作又笨重,所以被科学家称为「水熊虫」。

在2019年年2月21日,以色列的太空船创世纪号坠毁在月球,却意外发现有大量的水熊虫在DVD大小的镍片,其实在2007年FOTON-M3任务,水熊虫在太空待了十天,随后回到地球,发现约70%的水熊虫存活,并成功繁衍后代。

水熊虫可以在干燥、高温(约为150 °C)、绝对零度(-272°C),面对辐射以及真空下的环境存活,因为具有四种隐生状态,低湿隐生、低温隐生、变渗隐生跟缺氧隐生,面对不利于生存的环境下,它们会卷缩起来,让水分排出、暂停身体代谢,处于「假死」的状态!

科学家们表示微重力和宇宙辐射,对水熊虫影响不大,未来有望在太空研究中扮演重要的角色!

水熊虫可以上山下海,不禁让人心想,那些因宇宙飞船坠毁而登上月球的水熊虫,至今是否还能行动?

名子有"熊"、长了八只脚,步态却像虫?

最近刊登在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of National Academy of Sciences, PNAS)的一项新研究,通过用高速摄影记录了水熊虫的移动,意外发现水熊虫的爬行方式跟比自己大 50 万倍的昆虫相似。

通常尺寸像缓步动物门一样小的生物很少有脚,它们不走路而只会四处滑动乱窜;水熊虫却拥有8只脚,是一种很特别的生物,让科学家不禁好奇,这么微小的生物是利用什么方式移动,于是对它们进行了研究。

看过"水熊虫"走路吗? ——它的步态与 50 万倍大的昆虫很相似!插图1 图/GIPHY

洛克菲勒大学的研究团队,在显微镜下长时间持续观察水熊虫,并记录其行走的步态(走路时身体各部位周期性的动态表现)。 研究人员 Jasmine Nirody 表示,水熊虫在没有外力干扰下,有时它们会很冷静,以每秒半个身长的速度悠闲地漫步;当它们看到对自己有吸引力的事物,这时会像踩了油门般,加快速度往目标物前进,可以达到每秒两个身长。

研究团队从水熊虫移动的步态,以科学角度来解释,我们平常走路,脚跟后蹬,此时会产生静摩擦力,所以水熊虫的爬行是靠着脚与地面接触获得动力,然而当我们行走在不同环境 (光滑或粗糙地面 ) ,会受到不同压力、产生静摩擦力不同,不过它们的肢体协调很灵活,不管在大海或沙漠,它们都会去应变不同环境!

水熊虫跟昆虫、甲壳类动物很相似,它们都是在不同速度下步态相同,而脊椎动物会依据不同的速度改变其步态。

对此,研究团队有两种解释,第一种是缓步动物可能跟蚂蚁或是果蝇这类昆虫或其他节肢动物有演化上的共同祖先,甚至有相似的神经回路;第二种可能性是缓步动物和节肢动物并没有共同的祖先,这两类不同群体的生物为了生存,而进化出相同的行走。

但这只是两种假设性说法,到底答案是什么,还需要科学家们进一步研究。

水熊虫的一小步,是科技上的一大步

水熊虫的研究除了对动物运动学有很大的进展,科学们之后有望研究出,微小尺度行动的机器人!

看过"水熊虫"走路吗? ——它的步态与 50 万倍大的昆虫很相似!插图2 某种水熊虫的雌虫。 图/WIKIPEDIA, by Gąsiorek P, Vončina K。

例如2020年美国康乃尔大学跟宾夕法尼亚大学的研究团队,设计出小于0.1毫米的微小机器人,一块芯片上就可以造出约一百万个机器人。

看过"水熊虫"走路吗? ——它的步态与 50 万倍大的昆虫很相似!插图3 从4寸晶圆切下的一块芯片上,表面约有100万个微型机器人。

这个微小型机器人由硅太阳能光电材料作的简单电路,跟四个电化学执行器成的脚组成。 研究团队把机器人放在200微伏电压、10奈瓦功率的激光光照射,从显微镜下观察,会发现这些机器人在液体中游动。

这些机器人目前只能移动,其他功能还需要开发,水熊虫的研究对微小型机器人的设计有很大的帮助,如果机器人再经过改良,在医学上也有帮助,例如:运送药物、人工受精、执行组织切片或微型手术等,虽然当中也有风险,需要经过跨领域的专家协助,找出适合临床的使用。

除了微小型机器人,也对仿生机器人有帮助,其中昆虫机器人考量到杂机构学、运动学、动力学、昆虫步态等研究,未来昆虫机器人朝向以微小尺度、可进入角落或缝隙、环境监测等目标前进!

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