這種小蟲憑藉“頭鐵”登上《自然》，汽車都壓不死它
出品：科普中國
製作：可可 昆蟲專門店
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
近期，一種北美西海岸的常見甲蟲登上了《自然》雜誌。這種叫做鐵定甲蟲（diabolical ironclad beetle）的昆蟲，雖然無法飛翔，卻擁有令人驚異的抗壓能力，甚至汽車碾過都毫髮無傷。科學家們很早以前就注意到了鐵定甲蟲具有的逆天“怪力”，但真正揭示它們異稟天賦的來源卻是最近的事。快來看看到底是怎麼回事吧。
△鐵定甲蟲，圖片來源：https://www.inaturalist.org/observations/3084122
鐵定甲蟲身長2到3釐米，生活在北美大陸的西海岸，從墨西哥北部到加利福尼亞州全境，都有它們出沒的目擊報告。在富含腐殖質的叢林深處，樹木於幽暗的環境中完成着自己的生死循環，同時也為整個森林生態系統提供着不可或缺的養分，澤蔭着鐵定甲蟲等無數生物。樹皮表面附着的真菌將菌絲深入到樹皮下方，鐵定甲蟲將巢穴構築於此，富含多糖和蛋白質的菌絲就是它們最愛的食物。
鐵定甲蟲屬於瘤擬步行蟲科，聽名字就知道它們至少有兩大特徵，第一形態不怎麼好看，第二不怎麼會飛。很多昆蟲都有屬於自己的武器，有些有毒針，有些有大顎，有些能釋放毒液，再不濟也能飛。鐵定甲蟲看起來比較“廢”，沒有攻擊能力不説，連主動防禦也不會，遇上事兒了只能被動防禦。
不過鐵定甲蟲能夠綿延不絕香火不斷，沒兩把刷子也是萬萬不行的，它們禦敵的法寶就是三種超強的被動防禦技能。鐵定甲蟲藉着這三大招式，雖然談不上縱橫武林，也絕對不至於生活得苟延殘喘。
鐵定甲蟲的被動防禦技能之一是裝死， 這個倒是算不得稀奇，畢竟很多昆蟲都會這招，但鐵定甲蟲裝死的段位更高。很多昆蟲六腳朝天一躺倒，足和觸角都耷拉在外面，雖然裝得像，卻很容易遭到損傷。鐵定甲蟲則會有意識地把足和觸角收縮回身體周圍，它們的胴體上甚至有裝死時用來收納足和觸角的凹槽。這樣一來，安然渡劫的可能性就會大大增加。
△裝死中的鐵定甲蟲，來源：https://www.inaturalist.org/observations/12277220
鐵定甲蟲的被動防禦技能之二就是擬態——它們的表面和形狀看起來非常像不起眼的小石頭。而且不光是鐵定甲蟲一族，它所屬的瘤擬步行蟲科都是擬態的高手。在國外某些甲蟲愛好者的圈子裏，甚至有收集瘤擬步行蟲標本然後製成類似寶石裝飾品的風氣。
△與周圍樹皮渾然天成的鐵定甲蟲（左）和瘤擬步行蟲標本製成的裝飾品（右），來源：維基百科“瘤擬步行蟲”條目
鐵定甲蟲的第三個被動防禦技能就更加玄乎了，它們的身體能夠承受極大的壓力，不僅捕食者的擠壓和尖刺對它們沒什麼辦法，連汽車碾過都可能安然無恙。甚至想把它們固定在標本盒裏的昆蟲學家們都會常常感到一籌莫展——它們的鐵甲甚至可以讓固定標本用的鋼針彎曲。普普通通的血肉之軀，如何能夠承載如此重壓，鐵定甲蟲絕技背後的秘密勾起了科學家們的好奇心。
鐵定甲蟲和其它甲蟲一樣，周身由堅硬的外骨骼包裹。在這套甲冑中，最關鍵的明顯是背部，因為昆蟲的背是它們最為脆弱的部位，能不能扛住獵食者的尖牙利爪，全靠背部的承壓能力。
普通飛行甲蟲的背部裝甲是兩片鞘翅，也就是將第一對翅特化為類似外骨骼的堅硬“劍鞘”，將柔軟的後翅藏在下方。兩片鞘翅間只在最上方處憑藉一個像活頁一樣的結構來控制開合，在飛行時兩片鞘翅打開，平時則合併為背部裝甲。
這樣的結構很好地兼顧了保護性與飛行能力，可惜的是，在面對獵食者自上而下的擠壓和 啄擊 時，這種結構在強度上還是會有力不從心的時候。
我們可以回憶一下在路上見到過的被碾壓的飛行甲蟲屍體，會發現它們無一例外地呈現出鞘翅向外咧開的形態。畢竟鞘翅雖有一定強度，但它們之間只有一處接合點，遇到壓力整體結構自然會發生崩潰，這也是飛行甲蟲們為了保全飛行能力的無奈之舉。
△飛行甲蟲化石，注意死去時的姿態（左）和飛行中的瓢蟲，注意鞘翅和後翅（右），來源：維基百科“甲蟲”條目
但與飛行甲蟲所不同的是，鐵定甲蟲為代表的步行甲蟲們徹底拋棄了飛行能力，轉而將最為關鍵的兩片背部鞘翅特化為了一整塊背甲，抗壓能力得到了極大提升。不必再考慮飛行動力學的它們，無需再維持圓潤的流線型體態，而是進化得越來越扁平且稜角分明。這樣的體型也讓它們能夠更好地棲身於岩石和樹皮下方。
至於鐵定甲蟲的抗壓能力到底有多大，科學家們給出了具體的測試結果。在受縱向壓縮載荷後，鐵定甲蟲比其它同類甲蟲表現出了更大的剛度（抵抗壓縮的能力），而且它外骨骼的剛度在壓縮達到一定程度後還有一個忽然的增大。這意味着對它們進行壓縮時，途中會發現壓縮變得越發困難。
其它同類甲蟲外骨骼的剛度只有鐵定甲蟲的一半到五分之一，而且也並未表現出中途突然增大的現象。當然，甲蟲們的外骨骼也絕非銅頭鐵臂，載荷達到一定程度後出現斷裂也是必然。大部分同類甲蟲外骨骼斷裂時的載荷大約是40到70牛頓，而鐵定甲蟲的斷裂載荷卻達到了150牛頓。
這一受力相當於它自身體重的大約4萬倍，而且也遠遠超過了成年人拇指和食指合捏時所能產生的載荷（大約50牛頓）。也就是説，恐怕人類中最有力的大力士都無法用手指捏爆一隻鐵定甲蟲。
與鐵定甲蟲一同參與測試的其餘甲蟲其實也並非是等閒之輩，它們都是和鐵定甲蟲具有類似身體特徵、同一棲息地、甚至相似生活習性的近親，平時面對的天敵（如大型食蟲鳥類）也都差不多。
那麼，鐵定甲蟲這種超神的抗壓天賦到底從何而來呢？想要回答這個問題，我們還得從步行甲蟲們的身體結構開始説起。
△四種甲蟲的壓縮曲線，其中的藍色代表鐵定甲蟲，來源：參考文獻1
各種步行甲蟲們的外骨骼其實在基本結構上是非常相似的，它們並非是一個完整的管形殼體，而是由幾個部分拼接而成。
在背部，兩片鞘翅拼合成一片背甲，中間由一條類似鉸鏈的結構連綴在一起。然後再各自與腹部外骨骼在側方進行連接。説白了就是步行甲蟲的身體護甲由兩片背甲和一片腹甲構成，它們各自又通過鉸鏈結構連綴在一起，鉸鏈貫穿整個身體。雖然不能飛翔，但是“焊合”在一起的兩片鞘翅卻形成了一塊堅不可摧的背甲，讓鐵定甲蟲們可以安然地面對種種天敵。
△鐵定甲蟲背部中央的鉸鏈結構，來源：參考文獻1
既然大家的身體結構都差不多，那為什麼鐵定甲蟲比其它近親們的“耐造”程度又高了幾個段位呢？
在對鐵定甲蟲進行更加深入的剖析後，科學家們找到了端倪。他們首先用CT觀察了鐵定甲蟲的身體，發現在它們背部外骨骼的下方有一個空腔，這裏並沒有重要的臟器存在。受到中等程度壓縮時，空腔體積變小，而臟器則並不會受到損傷。這一空腔的作用和不少豪車裝備的空氣懸架有幾分相似。
而當載荷進一步增大時，空腔已經不能抵消全部傷害，這時就要外骨骼來“硬扛”了。鐵定甲蟲這身鎧甲可不是吃素的，它的外骨骼格外強健，作為背甲的鞘翅密度甚至達到了1克每立方厘米，是很多飛行甲蟲鞘翅密度的兩倍左右。
此外，類似甲蟲外骨骼這樣拼合而成的結構，在發生破壞時最為薄弱的環節往往不是材料本身，而是在不同板塊的接合處。對於甲蟲們來説，這最為脆弱的部位便是兩塊背部鞘翅之間相接的鉸鏈接縫。
雖然各種步行甲蟲的背部鉸鏈接縫存在一定相似性，都是類似於拉鎖鎖齒的互鎖機構。但其它的近親甲蟲們大多采用一個主鎖齒的結構，而鐵定甲蟲則把鎖齒分為數個。這種結構經過科學家們的計算機仿真模擬，被證實其確實具有極高的強健性。
而且，組成背部鉸鏈的並非是整塊材質，而是富含蛋白質的多層材料。這些材料平時緊密地堆垛在一起，但一旦受到致命擠壓，層間就會出現間隙，這些間隙又可以起到進一步釋放應力從而保護鉸鏈鎖齒的作用。
總而言之，鐵定甲蟲的背部鉸鏈在形態上最為複雜，鎖齒的數目最多，鎖齒的大小最均一，反映到宏觀上就是這種結構最能分散應力，從而最能承力。
在腹部護甲和兩塊背部護甲的連接處，鐵定甲蟲的不同連接部位，不光采用鉸接的形式，還有類似於彈簧的鬆散結構。這些“彈簧”間本身沒有硬連接，但是它們極大的活動範圍為鐵定甲蟲在受壓時提供了良好的吸能效果。
不得不説，鐵定甲蟲真是渾身上下都散發着工業硬核範兒。
△鐵定甲蟲背部的空腔以及側面的“鉸鏈”和“彈簧”，來源：參考文獻1
科學研究最為純粹的意義當然是探尋未知，比如回答鐵定甲蟲為什麼如此抗造這一問題。在得到答案後，科學研究又會自然而然地轉向如何利用這些所發現的規律為人類發展謀求新可能。科學家們研究鐵定甲蟲當然不是純粹為了滿足好奇心，而是希望藉助揭開這種神奇生物的秘密來找到可供人類利用的新點子。
鐵定甲蟲特殊的鉸鏈構造無疑是科學家們發現的一處新寶藏。雖然它的形態還沒牛到突破人類想象力的程度，但歷經數億年進化考驗的這種鉸鏈，明顯有其存在的合理性。在進行類似的材料連接時，如果我們把接頭做成與其類似的鎖齒，再讓它們相互鉸接，就很可能獲得無需焊接就能達到極高強度的連接結構。
△利用鐵定甲蟲“鉸鏈”結構設計的航空發動機葉輪固定方式，來源：參考文獻1
完全拋棄了飛翔的鐵定甲蟲雖然失去了一定的移動自由，但特化的“鐵甲”讓它們獲得了驚人的生命力，鋼針、鳥喙、手捏都是小case，甚至汽車都無法將它們碾斃。與很多隻有數週壽命的甲蟲相比，鐵定甲蟲的壽命長達7、8年，完全是甲蟲進化的神蹟。
與鐵定甲蟲類似，每一個存世的物種都有自己的處世之道和人生哲學，也都有人類值得學習借鑑的過人之處。生物資源的珍貴性之一就在於此，失去任何一個物種，對於人類而言損失的都將是無限的可能性。
△絢麗多彩的甲蟲們，來源：維基百科“甲蟲”條目
參考文獻：
1. Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle
2. Scientists reveal how diabolical ironclad beetle can bear huge weights