本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在自然历史菲尔德博物馆黑暗的地下室里，我的研究生玛格丽特·马瑟恩小心翼翼地举起了大象的尾巴。大象的皮像一块僵硬的灰色地毯，被折叠了好几次，皱巴巴地堆在房间中央。尾巴从堆的角落里露了出来。它有 4.3 英尺长，在去骨和干燥之前，重达 25 磅。尾巴的末端是扁平的，和玛格丽特的手一样大。数百根粗黑的毛发从两侧呈放射状散开。她摸了一下，畏缩了一下。它们又尖又硬。这条尾巴看起来像一件古代武器。它是用来做什么的呢？
在过去的几个月里，玛格丽特和我一直在寻找解开大象尾巴之谜的答案。从大象到长颈鹿再到斑马，大型哺乳动物的尾巴有什么用途？这些尾巴看起来很相似——它们都很长、很细，末端都长着黑色的毛发，而且它们总是来回摆动。生物学家普遍认为，摆动是为了驱赶苍蝇，但尾巴究竟是如何做到这一点的呢？为了解决这个问题，我求助于玛格丽特，她是我们部门唯一一位也是哺乳动物尾巴专家的机械工程师。
在成为工程师之前，玛格丽特是一名马术师。她会在路易斯安那州炎热的夏天里跳过栅栏，在开阔的田野里飞驰，把学校和责任抛在脑后。骑了一天马后，她会把她的马“甜馅饼”带到马厩里降温和清理。这意味着站在它旁边，一只一只地抬起它的腿，托着它的蹄子，同时清除泥土和嵌入的小石子。当她处理“甜馅饼”的前蹄时，它会嘶鸣并用鼻子蹭她的手，寻找她总是给它准备的零食——苹果、胡萝卜和餐馆里的薄荷糖。但当她在它的后方时，“甜馅饼”变得紧张起来，开始像鞭子一样甩动尾巴。它经常打到玛格丽特的脸。那时她学会了尊重马的尾巴。
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除了给玛格丽特一个教训之外，马的尾巴还有其他重要的职责。在盛夏最热的时候，空气像裹尸布一样沉闷，叮咬的昆虫无处不在。每个马主人都备有一罐驱蝇喷雾剂，因为没有它，马就会非常痛苦。它的耳朵抽动，它的头摇晃，它的鬃毛疯狂地跳动。它咬自己的侧腹，跺着脚。但没有什么比马的尾巴更疯狂地移动了。它嗖嗖地摆动，它摇曳，它拍打，它抽打。
尾巴发挥着重要的作用。仅仅一天，一匹马就可能因蚊子等叮咬昆虫而损失一杯血。蚊子不仅吸血，还会传播疾病。疟疾、寨卡病毒、登革热只是其中的几种。即使只驱赶一小部分蚊子，也可能对马的健康产生重大影响。这场对抗昆虫的战争并非仅由马匹独自进行。每种大型哺乳动物，从斑马到长颈鹿再到大象，都会吸引成群的昆虫。动物越大，昆虫云就越大。
虽然大象和马看起来可能不同，但它们都有摆动的尾巴。它们是否都只是在驱赶蚊子呢？
为了回答这个问题，玛格丽特拍摄了她在当地公园和亚特兰大动物园看到的每种哺乳动物尾巴的视频。幸运的是，动物园里的动物喜欢把屁股对着人群，所以她毫不费力地获得了足够的数据。很快她就有了 12 种动物，从长颈鹿到大象再到斑马。虽然动物屁股的视频对大多数人来说可能显得平淡无奇，但我迫不及待地想看到她的录像。
这就是我热爱机械工程师这个职业的部分原因。即使是马的尾巴也会喊出秘密，而工程学为我们提供了理解它们的语言。
当玛格丽特和我看着尾巴时，我们看到了一个摆，就像落地钟里的摆一样。事实上，自伽利略在 17 世纪研究摆以来，摆一直被用于计时。伽利略着迷的是摆的规律性。从枝形吊灯到马尾巴，每个摆的摆动频率都只取决于摆的长度，这种频率称为摆的固有频率。正是这种固有频率使摆成为极其可靠的计时来源。也正是这种固有频率，这种共振运动，使得落地钟只需消耗很少的能量就能运转。一次上弦可以使钟运行数天。由于动物几乎在所有清醒的时间都在摆动尾巴，我预计它们会希望以其固有频率摆动尾巴以节省能量。
问题是，马和大象的尾巴都以每秒一次的速度摆动。这些速率比根据其尾巴长度预测的固有频率快三倍。事实证明，固有频率在自然界中并没有真正发生——至少在马的尾巴中没有！
我感到震惊。通过以比其固有频率快三倍的速度摆动尾巴，“甜馅饼”需要消耗 27 倍于必要的能量。为什么他和所有其他动物都想消耗这么多能量呢？
也许这与马尾巴可以驱赶苍蝇的古老传说有关。但这种说法已经流传多年了。如果我们想证明事实确实如此，我们就必须令人信服。
玛格丽特买了一条真马尾巴制成的鞭子。当她说她要用它来做研究时，她引起了一些人的注意。然后她从疾病控制中心借了 100 只蚊子。她在我的实验室里放出了蚊子，整整一个下午，她试图用鞭子击打蚊子。她发现这是一项不可能完成的任务，但原因非常有趣。蚊子非常轻。一只蚊子重两毫克，或相当于四分之一根鸡毛。因此，每次鞭子靠近时，蚊子都会被吹走。
根据她的结果，玛格丽特决定制造一个尾巴模拟器，一种可以测量移动的尾巴如何驱赶蚊子的装置。它看起来像一个大的空心罐子，上面固定着摄像头。一个电动塑料尾巴在罐子的盖子下面旋转。蚊子被释放到容器中，在那里它们飞来飞去。它们很难落在弯曲的墙壁上，并且有一种自然地飞向罐子顶部的趋势。通过以不同的速度旋转尾巴，她可以看到哪种运动最能驱赶蚊子。
当尾巴静止时，蚊子很容易飞过它并落在天花板上。但是，当尾巴以马尾巴的频率移动时，蚊子的行为完全不同。当它们飞向尾巴时，当它们靠近尾巴几厘米时，它们突然掉头。虽然尾巴产生的气流对我们来说可能微不足道，但对蚊子来说却是一件大事。产生的空气速度足以驱赶罐中多达 50% 的蚊子。
那么，为什么动物要如此快速地摆动尾巴呢？这是因为它们必须产生堪比蚊子飞行速度的风。大约是每秒一米或每小时两英里。
我们希望这项研究可能对马的治疗产生影响。许多饲养挽马的人参与了残酷的断尾做法，即切断马的尾椎骨，主要是为了美观。我们的工作表明，马的尾巴不仅仅是一种装饰品。它是它们抵御叮咬昆虫的主要防线。