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枪杀、子弹与宝甲:日本南纪白滨的妖魅刺客

2022年7月8日上午11点,日本白滨町海岸边的白滨水族馆内,一只孔雀螳螂虾连砸两下水族箱;30分钟后,120公里外的奈良大和西大寺车站旁,一位前日本政要连中两枪倒地。

 

对于科学传播者来说,刺杀事件理论上可供操作的选题还算丰富:你可以运用枪械学知识,介绍霰弹枪、手枪和自制枪械,也可以结合弹道学与法医学,聊聊枪弹进入并损伤人体的过程,还可以调度科技史料,讲述防弹衣的起源发展,更可以借助材料学和力学原理,科普防弹面料的“接化发”机制。

 

而我则选择先给文章拟一个充满暗示的暧昧标题,以及一句模仿蝴蝶效应的矫情前言。这是因为本文主角孔雀螳螂虾完美集齐了所有能强关联刺杀事件的科学要素:一个日本的刺客,一把自制的手枪,一颗杀人的子弹,一件保命的防弹衣。

 

撰文 | 哔普星人

颜值MAX版的皮皮虾

 

皮皮虾在民间流量很高。它们令无数食客大快朵颐,也是表情包里的坐骑,更有艺术大师向其致敬,很多观众都因电影《食神》了解到皮皮虾也叫撒/濑尿虾,能和牛肉“掺在一起做成爆浆撒尿牛丸”,濑尿之名源于它们被抓住后腹部会出水。由于皮皮虾有着螳螂式的镰刀前肢,故英文使用者称它们为“mantis shrimp”,直译作“螳螂虾”。孔雀螳螂虾(peacock mantis shrimp)和皮皮虾是近亲,同属于节肢动物门—甲壳亚门—软甲纲—掠虾亚纲—口足目(Stomatopoda,并非严格意义上的虾类),不过前者归于趾虾蛄总科(Gonodactyloidea)下的齿趾虾蛄科(Odontodactylidae),学名“蝉形齿指虾蛄(Odontodactylus scyllarus)”;后者是虾蛄总科(Squilloidea)虾蛄科(Squillidae)的成员,学名“口虾蛄(Oratosquilla oratoria)”。你如果没那么讲究,其实大可以称孔雀螳螂虾为孔雀皮皮虾。那些标准虾类,例如对虾、红虾、龙虾等,是虾蛄们的远亲,属于软甲纲—真软甲亚纲—十足目(Decapoda)。图1.虾类的外部形态草绘图。上:普通虾类;下:皮皮虾。[1]

当你第一眼见到孔雀螳螂虾时,你会被它的真诚打动,因为它那十几厘米长的身躯就像它的名字一样花哨,好似微缩版的孔雀开屏,又如拉长后的彩虹琥珀。蓝绿宝石般的背部,大红、深红的腿肢及下腹,赤橙黄绿蓝靛白的触角,深蓝色的眼柄,工业朋克风的卡姿兰大眼睛。图2. 眼柄常见于十足类、口足类等动物,呈棒状形态,长在头部侧面,类似于触角,装在眼柄里的眼睛可自如转动。[2]

邂逅它们的摄影师绝不会错过定格艺术的良机,有强迫症的观众会拿出调色板与之对比,古朴的进化论者推测它们的绚丽与孔雀同理,都为异性相吸继而一夫一妻[3]。不过坦白讲,我们无法确定它们能否与人类一样欣赏自己的魅力。

 

见色不鉴色

 

孔雀螳螂虾的视觉系统可以说工业有余而朋克不足。图3. 螳螂虾的光感受系统。[4]包括人类在内的大多数哺乳动物视网膜中只有3类光感受器,分别对红、绿、蓝光敏感。孔雀螳螂虾的眼睛则拥有12种不同的感受器(某些品种甚至有16种),其中8种覆盖了人类可见的光谱,另外4个落在紫外光谱区。此外,它们还可以感知偏振光。图4. 人眼的感光通道相比螳螂虾实在是乏善可陈。[4]然而,奢侈的视网膜配置,12个感光通道,并未赋予它们优异的色彩分辨力。科学家测试发现,人类能分辨出波长相差5纳米的颜色之间差异,而螳螂虾却挣扎于15-25纳米的区间。

图5. 人类能以50%的准确率看出左、中两列的颜色差异,螳螂虾只能以同等准度区分右列和中列。[5]

这种反差的原因在于,它们的视觉系统重在“技术识别”而非“艺术鉴赏”。人眼的视锥细胞彼此紧密关联,组成复杂机制;这些细胞对光的响应差异,再加上神经计算网络对响应信号的处理,令我们得以感知细微的颜色差异。相比之下,螳螂虾的视锥细胞“彼此独立工作,无需复杂的神经计算”,当感光信息离开视网膜抵达中枢神经系统,会有“大量并行数据流”,允许视觉总部同时处理好几条数据。这种类型的视觉系统往往难以准确辨别不同颜色,却能快速识别颜色存在,有利于螳螂虾敏锐地发现天敌或猎物[4, 6]

 

命送螳螂枪

 

对于一个刺杀者来说,光有敏锐度是不够的,一把自制手枪才是于人丛中索命的关键。孔雀螳螂虾有两把手枪,也就是它那两条锤子般的掠食前肢(raptorial appendages/legs)。螳螂枪的运作机制与弓箭异曲同工。射箭者的开弓手向箭头的反方向平移,使得弓弦积聚弹性势能,然后松开,弦的势能转化为箭的动能。螳螂枪则借助更复杂的机构,实现了复合弓级别的威力。图6. 示意:将掠食前肢的结构类比为机械结构。[7]

我们不妨通过上图观摩下这组机构的运行方式。鉴于图中有大量冷僻的节肢动物专用术语,为求简洁和通俗,我们暂且搁置所有生物学的概念,只把掠食前肢当作机械结构来看待。不难看出,螳螂枪的精髓就在于“一弹两心”:“一弹”指的是那个英文名叫“saddle”的弹簧,负责为机构提供动力,孔雀螳螂虾会利用掠食前肢的强壮收缩肌(图中未显示)将弹簧大幅度挤压,从而蓄满势能。此时,伸肌(图中以红色图案显示)也处于收缩状态。“两心”是指两个轴心点,第一轴心点和第二轴心点,也就是图中“merus-v”的底端点(黑点)以及“carpus”和“merus-v”的连接点(白点)。如果紧绷的弹簧松开,势能将瞬间释放,伸肌会伸展开来,merus-v会绕第一轴心点逆时针旋转,carpus则绕第二轴心点顺时针旋转,而固定在carpus上的“镰刀”,即“propodus+dactyl”,将疾速挥舞,其中dactyl给予目标以直接杀伤。图7. Saddle弹簧一松,势能即刻转化为动能,原本处于收缩状态的伸肌会伸长。[7]

蓄势,突击。[8]镰刀挥舞有多快呢?数据是最直观的[7, 9, 10]:启动后的加速度能达到重力加速度的10400倍,即超过105m/s2,堪比点22口径子弹和F1发动机里的活塞。一次完整挥舞耗时约2.7毫秒,平均时速83公里;人类眨一次眼需要100-400毫秒,而孔雀螳螂虾眨眼间已完成上百次乱杀。击打力度可达1500牛,数千倍于自身体重,足以轻松击穿猎物外壳,甚至能打碎水族箱玻璃;职业拳击手的击打力约为5000牛。必须要指出的是,以上数据均在水下实现……子弹出膛对比螳螂虾出拳视频[8]

 

魂断空化弹

 

言至此处,我们不得不佩服螳螂枪的骇人火力。不过既然称呼它为枪,就应该配上子弹才显妥当。螳螂枪的子弹叫“空化弹”,不是空包弹,不是空头弹,是英文名为“cavitation bubble”的空化弹。所谓的空化(cavitation)是一种流体力学现象:液体在遇到压力的快速变化时,其内部会形成蒸汽空化腔(vapor cavity),接着液体又会极快地填充空腔,快到令空化泡向内溃灭(collapse),或者说内爆(implode),进而产生剧烈冲击波。图8. 空化泡溃灭并冲击其下方平面的过程[11]由于掠食前肢击打速度实在太快,撞击区域的水瞬间蒸发,形成大量空化泡,再迅速集体内爆,完成空化弹杀伤。理论上,一个直径2.7毫米的空化泡溃灭能产生强度超过9兆帕(900N/cm2)的冲击。而螳螂枪制造的空化弹相当于一次500牛的击打[12]。对于猎物来说,它们即便侥幸招架住凶猛的捶打,也逃不过空化弹的二次击杀。凶悍的杀伤力帮助孔雀螳螂虾站至海洋食物链的高处。只有虎鲸、鲨鱼、两三米长的蓝鳍金枪鱼、一两米长的梭鱼等绝对碾压级生物,才能对皮皮虾尺寸的孔雀螳螂虾实施制裁。在很多情况下,它们会猎杀块头比自己大的对象,例如日本纪伊半岛之南的各种螃蟹,美国关岛周围的各种大虾,中国台湾海域的某些鱼类。这里需要指出,拥有日本武士道风范的孔雀螳螂虾不只生活在日本附近,印度洋和太平洋的沿岸海域都广泛分布着它们的身影。图9. 孔雀螳螂虾的全球分布。黄色区域为它们活动的海域。南纪白滨町是孔雀螳螂虾在日本的主要分布区域之一。[13]

 

宝甲护枪不受伤

 

言至此处,文章标题中“刺客”、“枪杀”、“子弹”的元素都已说完,还剩下一个“宝甲”。刺客当然也需要穿防弹衣了,不过孔雀螳螂虾的宝甲并非穿在身上,也并非为了防御敌人,而是装在螳螂枪上的。如果没了这对防弹套件,它们的刺杀就会像七伤拳一样杀敌伤己。如前文所述,孔雀螳螂虾的打法特点称得上刚猛迅疾,而刚猛的前提是那对掠食前肢的击打部分——也就是与目标发生直接接触的“dactyl”——足够坚硬,足够有分量。是否坚硬有分量,取决于内部的材料结构。(前文已通过图片介绍过dactyl和propodus,你可以把dactyl理解为镰刀的刀刃或锤子的锤头,propodus则是手柄。)图10. 示意:掠食前肢中负责击杀的部分,也就是螳螂枪的本体。这部分由dactyl和propodus组成。[6]

科学家发现,dactyl的前端,也就是上图中红色的“撞击前沿”,含有高浓度矿物质,以羟基磷灰石为主,而且结晶度很高,是整个结构中最硬最刚最不易变形的部分,弹性模量高达65-70GPa。弹性模量是描述物质弹性的物理量,其数值大小反映材料在外力作用下变形的难易程度,弹性模量越大,材料越刚硬,越不容易变形。当然了,外力作用方式有很多种,可以向外拉伸,可以向内挤压,也可以侧向剪切;弹性模量自然也包含多种类型。这里的弹性模量反映材料在挤压作用下的变形难易。实验者通过纳米压痕法,测算得到了撞击前沿的压缩弹性模量。铜块的压缩弹性模量约为130GPa,即1.3×1011Pa,钢纤维的弹性模量在36GPa左右;而层厚仅为50-70μm的撞击前沿竟有着高达70GPa的弹性模量,实属罕见。这种级别的材料硬度当然保证了又刚又猛,拳拳到肉[6]。但我们也都知道至刚易折,过于刚强容易造成内伤,往往不可持久。螳螂枪在猛烈冲击敌人的同时,自己也会承受反向冲击力,那么它们是怎样做到不被反作用力反噬的呢?原因就在于撞击前沿的后方安置了层次分明的缓冲区。这些缓冲区就是护枪宝甲。研究人员借助多种表征方法,发现缓冲区的材料结构与撞击区的相差悬殊,撞击区以磷灰石矿质为主体,硬而脆;缓冲区则是无机矿质与有机高分子的结合体,其中无机质以非晶磷酸钙和碳酸氢钙为主,高分子则是甲壳质,英文名chitin,又弹又柔,分散于无机质中,负责吸收冲击能,发挥缓震作用[6]

图11. 过渡区的材料结构仍以矿物质为主,但成分较撞击前沿有所变化,弹性模量下降至35 GPa。两个缓冲区的弹性模量则仅有5GPa和10GPa。[6]

图12. 缓冲区的甲壳质们组成了一种独特、优雅又实用的螺旋结构。[6]打个不算恰当的比方,矿物质就像一大箱玻璃瓶,箱子要是掉地上,玻璃保不齐会碎掉,但如果你往箱子里到处都塞上海绵,也就是甲壳质,这箱玻璃就不容易被碰坏了。借助甲壳质的螺旋软甲,螳螂枪得以刚柔并济,拥有出色的耐损性,可承受数千次高能冲击,最后在螳螂虾周期性蜕皮时被翻新[14]。孔雀螳螂虾的宝甲也给防弹领域带去了灵感。美国的研究人员模仿这种天然材料结构,设计了一种由碳纤维层组成的超强复合材料。测试结果显示,新材料相比航空航天工业的常用材料,可吸收的冲击能量高了15-20%[15]。此外,他们还3D打印了一种借鉴螳螂枪的材料结构[16]。仿生材料学家戴维·基赛卢斯(David Kisailus)是这一研究的通讯作者。他长期致力于观察和临摹孔雀螳螂虾,并得到美国国防部巨额拨款资助。“我们对螳螂虾的掠食前肢研究越发丰富深入,也越发意识到它的结构可以改善我们每天使用的许多东西,例如更坚固的防弹衣、橄榄球头盔、飞机和汽车。”

 

参考文献

[1] https://aquariumbreeder.com/dwarf-shrimp-external-anatomy/#open

[2] https://www.thoughtco.com/mantis-shrimp-facts-4582442

[3] https://oceana.org/marine-life/peacock-mantis-shrimp/

[4] https://scholarblogs.emory.edu/artsbrain/2020/03/05/vision-in-mantis-shrimp/

[5] https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-mantis-shrimp-sees-like-a-satellite

[6] https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1245824

[7] https://www.nature.com/articles/428819a

[8] https://youtu.be/ti2Uoc1RXuQ

[9] https://journals.biologists.com/jeb/article/208/19/3655/15838/Extreme-impact-and-cavitation-forces-of-a

[10] https://ourmarinespecies.com/c-lobsters/mantis-shrimps/

[11] https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302119

[12] https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/3.8027

[13] https://kids.nationalgeographic.com/animals/invertebrates/facts/peacockmantisshrimp

[14] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jmor.1051460104

[15] https://phys.org/news/2014-04-mantis-shrimp-stronger-airplanes.html

[16] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600786

 



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