本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。
作者注:我的博客调查将于明天(20日)结束,欢迎所有读者(包括新读者)参与!详情请见本文末尾。
我们人类不是最好的跳跃者,但像大多数事情一样,这并不能阻止我们尝试。男子跳远世界纪录是24英尺四又四分之一英寸,大约是六英尺高的人身高的四倍。跳高纪录是8英尺半英寸——仅仅比一个人的身高略高一点。
然而,一种名为 Steinernema 的微小线虫蠕虫可以弹射自身,其距离几乎是自身长度的十倍,高度的七倍,以追逐新的宿主昆虫。 这就好比在森林中行走时,你不得不躲避从地面向你投掷过来的食肉蚯蚓(而且你没有灵巧的手指和对生拇指来移除它们。热爱这些拇指!!)。
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然而,如果您是蟋蟀或螽斯,这就是您的现实。

这只螽斯的情况不妙,它获得了一个致命的“搭便车者”,箭头指示了这一点。图 1E 来自 Hallem 等人,2011 年。点击此处查看来源。
线虫是微小的动物,也称为蛔虫。虽然设计相对简单,但基本的线虫身体结构经历了巨大的自然选择,产生了许多非常奇特的变异(正如我在“一本沉闷的政府年鉴及其美丽的奇异蠕虫”中写到的)。 它们在数量上也占据地球的主导地位(正如我在“寄生蛔虫统治这个地方”中写到的)——地球上每五只动物中就有四只是线虫。 它们被发现在植物上吸食汁液,在地球上几乎所有的环境中攻击或捕食猎物或食腐。
跳跃的线虫——所有已知的都属于 Steinernema 属——要么是寄生的,要么处于积极搭乘过往昆虫的阶段。 Steinernema 专门将它们的宿主变成一个可居住/可进食的厨房; 一旦完成,就爬出该宿主腐烂的遗骸; 识别一个新的倒霉蛋,爬到它身上,或者在必要时,将自己发射到它身上; 钻入内部; 释放大量致命的共生细菌,这些细菌迅速压倒并杀死昆虫; 然后继续在尸体内部进食和繁殖小蠕虫两到三代,以便新的线虫可以爬出来并再次重复这一切。真有趣!

成年 Steinernema 正在享用不限量的蟋蟀尸体自助餐。箭头指示单个蠕虫。图 1F 来自 Hallem 等人,2011 年。点击此处查看来源。

线虫也不是盲目跳跃的。识别它们的下一个宿主是对环境线索的反应,特别是当线虫闻到它们的下一顿饭正在送上门时。 而且线虫不仅可以闻到它们的下一顿饭正在到来并跳跃以抓住它,它们还可以根据周围空气的流动进行瞄准。
我们对这些特定线虫了解如此之多的原因是我们将它们用作昆虫害虫的生物防治剂。 Steinernema 并不挑剔。 它会攻击多种昆虫。
科学家早在 1965 年就意识到,一些线虫具有惊人的杂技能力。 第一份报告发表在不亚于《自然》杂志的权威刊物上 [免责声明:《大众科学》归《自然》所有],描述了一种神秘的线虫,仅以其超级间谍代码名“DD 136”称呼,它具有这种特殊的蛔虫魔法。
在一系列精美的示意图中,科学家们阐述了将蛔虫送入近地轨道(或至少送到最近的蟋蟀身上)所需的发射序列。

图 1 来自 Reed 和 Wallace,1965 年。点击此处查看来源。
正如第一支团队解释的那样,线虫首先像旗杆一样将自己竖立起来,弯曲的尾巴支撑着直立的身体。 站立是最好的,因为它减少了蠕虫经历的表面张力,使其更容易抓住过往的动物,或者在必要时跳跃。
在这种姿势下,蠕虫首先来回摆动,这种行为称为瞬时运动。 如果这种动作未能确保新的住所,线虫然后向后弯曲自身,使其头部接触靠近尾部的身体,形成一个被水滴密封的环。 环内侧的肌肉收缩以保持姿势,这部分受到静水压力的抵抗,即体液对动物角质层或皮肤的压力(这种压力与您将气球艺术家的气球对折时所感受到的压力相同)。
当蠕虫准备好行动时,它会放松环内侧的肌肉并收缩外侧的肌肉。 这种力与静水压力一起,在环上施加张力,而这种张力又受到水滴表面张力的反作用力。 最终,线虫战胜了水滴,水滴灾难性地失效。 弯曲的势能突然转化为动能,蠕虫弹回原状。 当线虫的头部恢复其自然位置时,其加速度产生动量,使线虫摆脱将尾部固定在表面的水滴,并将其送入广阔的天地。
1999 年,另一个研究小组也在《自然》杂志上撰文,将早期的解释描述为“不准确”。 根据他们的说法,一旦线虫形成身体的环,它就会使用正常的 S 形爬行动作将其头部向地面上的尾部滑动,从而使环变小,但环内的弯曲变得更紧。 当环顶部的角质层被充分拉伸,而环内侧的角质层在压力下扭结时,就会积聚足够的力来打破将环固定在一起的水滴中的表面张力。 其余的跳跃过程与之前的描述几乎相同。
要观看现实中发生的情况,请查看加州理工学院科学家团队拍摄的线虫跳跃视频,可在此处和此处观看。 您几乎可以听到“Pee-yew!!!”的音效。
环弹开的力量不仅足以打破将蠕虫固定在其表面水滴上的张力,而且还能将其平均推进自身长度九倍的距离(5 毫米,或半厘米)和自身长度七倍的高度(4 毫米),作者计算得出。
虽然线虫太空计划不得不承认还处于起步阶段,但 Steinernema 属的成员已发誓在本十年末之前将线虫送上月球。 虽然这听起来可能雄心勃勃,但他们已经成功地到达了比任何人类在没有辅助的情况下所能到达的更深的地方,至少在地球表面以下 1.3 公里(可能为 3.6 公里)。 所以真的……一切皆有可能。
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参考文献
Campbell, James F. 和 Harry K. Kaya。“寄生线虫如何以及为何跳跃。” 自然 397, no. 6719 (1999): 485-486。
Hallem, Elissa A.,Adler R. Dillman,Annie V. Hong,Yuanjun Zhang,Jessica M. Yano,Stephanie F. DeMarco 和 Paul W. Sternberg。“寄生线虫寻找宿主的感官代码”。 当代生物学 21, no. 5 (2011): 377-383。
Reed, E. M. 和 H. R. Wallace。“昆虫寄生线虫的跳跃运动。” 自然 206 (1965): 210-211。