蚂蚁身体的几何因素,成就了它一出场就是伟大的大力士!

一般形容人的力气大 , 就说他力能扛鼎 。 鼎就是古时候的青铜炊器 , 用来煮东西的器具 。 那古代的鼎一般是300到400斤的样子 , 按成年男子体重70KG , 人也就是说能举起自己体重3到4倍的重量算是大力士了 。 可是相对蚂蚁那就是小菜一碟 , 印尼一名17岁少年就拍摄到一只小蚂蚁 , 竟只用下巴就举起超大的毛毛虫 。 据科学分析蚂蚁能举起自己重量几百倍的物体 , 还能拖比自己重量1700倍的物体 。 那这到底是为啥呢?
蚂蚁身体的几何因素,成就了它一出场就是伟大的大力士!
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蚂蚁举起毛虫
首先力量是来源于肌肉 , 因为肌肉中储藏着多种能源物质 , 主要有三磷酸腺苷(ATP)、磷酸肌酸(CP)、肌糖原和脂肪等 。 我们运动时 , 肌肉中的ATP会水解 , 水解时释放出能量供人体所需 。
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ATP与ADP之间的化学反应图解
大力士的蚂蚁力量从何而来
看来 , 这似乎是一个有趣的“谜” 。 经过科学家进行了大量实验研究后 , 终于揭穿了这个“谜” 。 原来 , 蚂蚁脚爪里的肌肉是一个效率非常高的“原动机” , 比航空发动机的效率还要高好几倍 , 因此能产生相当大的力量 。
我们知道 , 任何一台发动机都需要有一定的燃料 , 如汽油、柴油、煤油或其他重油 。 但是 , 供给“肌肉发动机”的是一种特殊的燃料 。 这种“燃料”并不燃烧 , 却同样能够把潜藏的能量释放出来转变为机械能 。 不燃烧也就没有能量损失 , 效率自然就大大提高 。 化学家们已经知道了这种特殊“燃料”的成分 , 它是一种十分复杂的磷的化合物 。
这就是说 , 在蚂蚁的脚爪里藏有几十亿台微妙的小电动机作为动力 , 人们从蚂蚁“发动机”中得到启发 , 尽量减少能量在转化过程中的损耗 , 于是制造出了一种将化学能直接变成电能的燃料电池 。 这种电池利用燃料进行氧化还原反应直接发电 。 它没有燃烧过程 , 所以效率很高 , 达到70~90% , 所以一般科学来自于身边的点点滴滴 。
蚂蚁身体的几何因素,成就了它一出场就是伟大的大力士!
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有人会在问 , 蚂蚁和人都是用肌肉释放能量 , 那为啥差别这么大呢?
首先我们弄清楚蚂蚁和人的肌肉是一样的吗?其实不单只是蚂蚁 , 昆虫的肌肉力量也常常让我们惊异 。 比如亚洲织叶蚁可以“口衔”超过自己体重100倍的物件;跳蚤跳的高度能超过自己身高的100倍;蜣螂(俗称“屎壳郎”)更能推动自己体重1140倍的粪球!
这些昆虫的“力气”为什么这么大呢?是不是它们拥有特殊的肌肉呢?为了弄清这个问题 , 科学家们观察了昆虫的肌肉(比如昆虫用于飞翔的飞翔肌和用于爬行的腿肌)的细微结构 , 发现这些肌肉和人的骨骼肌一样 , 都是“横纹肌” , 其基本结构单位(肌节sarcomere)和里面的横纹 , 也和人类的非常相似 。 如果只看电子显微镜的照片 , 不加说明 , 很难判断这是人的横纹肌 , 还是昆虫的横纹肌 。
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肌球蛋白
是不是昆虫的肌肉只是看上去和人类的肌肉相似 , 而成分不同呢?为了回答这个问题 , 奥地利和德国的科学家合作 , 检查了这些昆虫的基因 , 发现他们含有和人类肌肉一样的“核心成分” , 包括第II型肌球蛋白(myosinII)、肌动蛋白(actin)、肌球蛋白轻链(myosinlightchain , 包括“调节轻链”)、原肌球蛋白(tropomyosin)和钙调蛋白(calmodulin) , 说明昆虫肌肉的核心成分和人类并无不同 。
既然昆虫肌肉的核心成分和人类并无不同 , 那他们肌肉每单位面积产生的能量会有差别吗 。 实测结果表明 , 脊椎动物的横纹肌 , 每平方厘米的横切面可以产生约25牛顿 , 也就是约2.5公斤的拉力 。 昆虫肌肉的力量与此相似 , 或者稍小 。 比如蟑螂翻身时主要用后腿蹬 , 单根后腿可以产生0.14牛顿 , 也就是约14克的力量 。 蟑螂后腿肌肉的横切面大约是0.6平方毫米 , 换算成每平方厘米就是2.3公斤的力量(脊椎动物的是2.5公斤) 。
昆虫的肌肉和人类的肌肉并没有本质的不同 , 为什么人类的相对力量会显得那么弱小呢?比如我国奥运冠军吕小军(73公斤) , 前不久东京奥运会为挺举成绩204公斤 , 差不多举起自己体重的3倍 。 为什么人不能像昆虫那样 , 举起比自己重100倍的重物呢?
这是因为大自然物种间的比例导致的 , 也就是说是简单的几何因素
我们回顾以上的信息 , 蚂蚁和人都能够使用同样的肌球蛋白和肌动蛋白之间的相互作用来产生动物运动所需要的拉力 , 而且这种机制已经相当完善 , 效率非常高 。 每克分子ATP水解成ADP和磷酸时可以释放出38.5千焦的能量 , 相当于可以用4pN(微微牛顿)的力量拉动16nm的距离 。 而实测的单个ATP被肌球蛋白水解产生的能量 , 可以用3至4pN的力量拉动肌动蛋白细丝11到15nm!既然蚂蚁和人使用同样的肌球蛋白和肌动蛋白系统 , 蚂蚁也就不可能有什么“神奇肌肉” 。