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〖20231210〗〖科普〗关于蚂蚁的弹跳原理

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2015年,蚁友@◎有梦想的咸鱼 对蚂蚁弹跳原理发出了提问,其中的一些假设也很有趣,本人这些年也一直在想这些问题。楼主发现了今年看到了一些新兴关于蚂蚁弹跳原理研究文章和前些年看到的关于跳蛛弹跳训练的文章结合初步推出了一点答案。

一些人应该听说过一个说法就是“蜘蛛的肌肉并不足以支持跳跃到自己体长很多倍的地方,它们是靠液压跳跃”,这也有论文支撑(1)下图论文提到蜘蛛关节的外侧有柔软的波纹管膜。外骨骼中的空腔中含有蜘蛛的体液,液体由蜘蛛前体的肌肉加压,关节柔软的波纹管膜在加压时膨胀,致使腿部伸展跳跃。但这也说明肌肉在蜘蛛跳跃中并不是一无是处。

肌肉在跳跃中的作用在另一篇论文(2)中更多彰显了出来。Manchester大学的研究者们。在他们试图训练的四只蜘蛛中,只有一只雌性王菲蛛(Phidipus regius)携带设备会在平行的平台之间欣然跳跃,跳到更高或更低的水平。他们给她取了个名字叫Kim。研究人员则用高速摄像机对她进行了拍摄。他们记录了她的速度、落地位置、腿和身体的角度以及跳跃的长度,然后计算出Kim每次跳跃花费的能量。研究人员则用高速摄像机对她进行了拍摄。他们记录了她的速度、落地位置、腿和身体的角度以及跳跃的长度,然后计算出金每次跳跃花费的能量。他们还对Kim进行了三维扫描和建模,以更好地可视化她的腿和身体的结构和运动。最终发现它们的跳跃在多大程度上依赖于肌肉力量,而不是将血液输送到腿上的液压;且在对Kim进行的十五次实验中是有多角度、多距离变换的,其中有些位置靠其起跳点和姿势是无法光凭借液压(向上或向等下来微调跳跃)达到她最后确实调到的位置和姿势的。


同样的,蚂蚁和蜘蛛并没有像蝗虫、蟋蟀或螽蟴等一些虫的那肌肉很发达的跳跃足。而一些蚂蚁却能靠着它们的腿来实现跳跃。不禁让人想到了镇楼的那个问题:“蚂蚁到底是靠液压还是肌肉进行跳跃?”
今年最新的影响蚂蚁跳跃因素的相关研究(3)中对会用腿跳的黑带牛蚁(Myrmecia nigrocincta)、争吵大齿猛蚁(Odontomachus rixosus)、破坏巨眼蚁(Gigantiops destructor)、跳镰猛蚁(Harpegnathos saltator)以及不会用腿跳的吸真猛蚁(Euponera sikorae)、大眼响蚁(Nothomyrmecia macrops)、红褐林蚁(Formica rufa)、黑岩大齿猛蚁(Odontomachus kuroiwae)进行了研究。发现会用腿跳跃的蚂蚁与跳跃有关的肌肉比起不会用腿跳跃蚂蚁的发达很多,并且前者的后腿长度相对体长较长。再通过功率比较直接的肌肉收缩足以解释它们的跳跃性能。


至此八年前的那个问题应该可以解释了,与研究中黑带牛蚁、跳镰猛蚁同属且跳跃方式相同的多毛牛蚁(Myrmecia pilosula)、猎镰猛蚁(Harpegnathos venator)也是主要以肌肉力量进行跳跃的蚂蚁。


IP属地:湖北来自Android客户端1楼2023-12-10 01:51回复
    问题到这也有了一个大致的解释,只不过之前那个贴子又让我去看了一篇三年前研究破坏巨眼蚁跳远的文献(4)其中指出,破坏巨眼蚁可以通过腹部运动来增强跳跃能力但是不太稳定,由此可见腿部肌肉力量也不是蚂蚁跳跃的全部。当然,这和之前所说的跳蚤用腹部弹跳不是一回事,而且跳蚤靠的是腿部强大的弹性蛋白,能把腹部用来跳出花的是跳虫。




    IP属地:湖北来自Android客户端3楼2023-12-10 01:54
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      最后来讲一下会用腿跳的大齿猛蚁。大家对大齿猛蚁的跳跃印象可能都是用颚高速闭合来进行反弹。然而,上文提到的争吵大齿猛蚁可是会用腿来达成跳跃的。也是八年前,Magdalena Sorger对12只争吵大齿猛蚁进行了实验,记录了它们两千多次跳跃,其中有九成以上是用足来跳跃,剩下那不到一成是用大颚来弹的。(5)


      IP属地:湖北来自Android客户端4楼2023-12-10 01:55
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        综上的话,这些体型不算小的蚂蚁是可以依靠它们的肌肉进行有效的跳跃的,液压弹跳方式也可参与到跳跃中,但可能在其它肌肉发达程度不及上述可跳蚂蚁的蚁种占比更多。
        欢迎讨论( ̄O ̄)ノ


        IP属地:湖北来自Android客户端5楼2023-12-10 01:55
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          部分参考文献:1.Spider-Inspired Electrohydraulic Actuators for Fast, Soft-Actuated Joints;Nicholas Kellaris, Philipp Rothemund, Yi Zeng, Shane K. Mitchell, Garrett M. Smith, Kaushik Jayaram, Christoph Keplinger 29. 5. 2021
          2. 08. 5. 2018 Energy and time optimal trajectories in exploratory jumps of the spider Phidippus regius Mostafa R. A. Nabawy, Girupakaran Sivalingam,William I. Sellers
          3.Aibekova, L., Keller, R.A., Katzke, J., Allman, D.M., Hita-Garcia, F., Labonte, D., Narendra, A., Economo, E.P. 2023. Parallel and divergent morphological adaptations underlying the evolution of jumping ability in ants. Integrative Organismal Biology
          4. Effects of Abdominal Rotation on Jump Performance in the Ant Gigantiops destructor (Hymenoptera, Formicidae) Dajia Ye, Joshua C Gibson, Andrew V Suarez Author Notes Integrative Organismal Biology, Volume 2, Issue 1, 2020, obz033, 18. 12. 2019
          5.Snap! Trap-jaw ants in Borneo also jump using their legs D Magdalena Sorger 01. 12. 20


          IP属地:湖北来自Android客户端6楼2023-12-10 01:56
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            @爱情懦夫 吧主,此贴申精


            IP属地:湖北来自Android客户端7楼2023-12-10 01:57
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              楼主也想到了三年前养拟光腹弓背蚁的日子,还有些怀念


              IP属地:湖北来自Android客户端15楼2023-12-10 13:03
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