水蜘蛛足部跗节特征与疏水原理

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水黾是水生半翅目类昆虫，在我国南方部分地区常年可见。水黾被喻为“池塘中的溜冰者”，因为它不仅能在水面上滑行，而且还会像溜冰运动员一样能在水面上优雅地跳跃和玩耍。水黾的特色之处是，既不会划破水面，也不会浸湿自己的跗肢。普遍的看法认为:水黾依靠其质量轻，与水面接触面积大，从而不会打破水面张力［1］。也有看法认为:水黾与其他昆虫相同，它的足部跗节分泌油脂，因此具有了疏水性。为了能够弄清水黾能轻盈漂移、沉浮自如的确切原因，本文对水黾足部的跗节特性和疏水原理做了进一步的探究。

1材料与方法

1．1实验一:水黾足部跗节表面分泌物的特性研究了解水黾跗节表面的物质理化特性。实验材料:水黾、植物油、酒精、食盐溶液、小苏打溶液(弱碱，0．03g/L)、中性洗涤剂溶液(40mL/L)其他所需器具如水盆若干个。试验中取用体型较大(体长1．5～2cm)的成年水黾，其弹跳、滑行等运动正常。实验试剂:选用浓度较小的稀溶液，将表面张力控制在72．75×10－3N•m－1左右。乙醇为22．32×10－3N•m－1。实验方法:将水黾分成5个实验组，1个对照组。分别将水黾置于植物油(或其他油性物质)、酒精、盐水、0．03g/L小苏打溶液、中性洗涤剂溶液中。观察水黾是否能够在水面上维持漂浮及其正常运动状况是否受到影响，正常运动状况以弹跳、滑行等水黾的日常基本运动次数及频率作为指标。

1．2实验二:水黾足部跗节分泌物的存在对水黾漂浮的影响研究探究水黾足部疏水性分泌物的存在对水黾漂浮的影响。实验材料:水黾、烧杯、玻璃皿、中性洗涤剂、中性滤纸、镊子。实验方法:将水黾置于玻璃皿上，用镊子固定，用胶头滴管吸取中性洗涤溶液，连续滴在水黾足部冲洗，然后用清水冲洗。再将水黾置于垫有滤纸的玻璃皿上吸干多余溶液，并用小功率电吹风吹干至足部的毛全部竖起时再轻轻地放入水中，观其察沉浮和活动状况。用清水替代洗涤剂溶液，对水黾作相同的处理，作为对照。实验数据记录水黾的沉浮状况和恢复正常运动的时间。

1．3实验三:水黾足部疏水物质分泌腺研究确定水黾足部疏水物质分泌腺并观察其结构特点。实验材料:水黾足(中、后足)、溅射仪、电子显微镜。实验方法:从两只成年水黾上截取中足和后足(共两组，包含整个跗节及胫节)，其中一组用酒精清洗再用超声波消毒，除去其表面的分泌物及粘跗的杂质;另一组保持原有状态，并且将两组水黾足都在空气中干燥。把喷金处理过的两组水黾足放在电子显微镜下观察，在水黾足部跗节表面寻找是否有类似于分泌口的深色阴影存在。组织切片:HE染色，在基本确定分泌口位置的情况下，取用一条水黾足，截取水黾跗节，剪切成3mm小段，把用10%中尔马林固定24h的水黾足部跗节小段石蜡包埋，然后将组织石蜡块在切片机上经过修切后，切成厚度为15～20μm跗贴在载玻片上、烘干并HE染色。取跗节以上不接触水的部分做同样处理，作为对照。通过对比观察，寻找分泌疏水物质的组织。苏丹Ⅲ染色:通过采用苏丹Ⅲ染色液、苏木素染色液的染色方法，标记结果为脂肪呈橙红或鲜红色，胞核呈蓝色，其主要应用于冰冻切片染色中，显示脂肪细胞的脂质沉着，适用于脂类物质形态观察的染色。

2结果与分析

2．1水黾足部跗节表面分泌物的特性研究

实验一经多次实验，得到结果如表1所示。实验证明，水黾足部的跗节接触油性物质及有机溶液(酒精)后会失去对水黾肢体的支撑作用，推测足部水黾跗节存在疏水性有机物，该物质易溶于有机溶剂，在弱碱性溶液中会变性或分解，在中性洗涤剂中会完全沉入液体中。推测该物质的存在是水黾能漂浮的重要条件，该物质被溶解、破坏或被油性物质粘跗会对水黾在水面上的跳跃、滑行等基本正常运动有所影响。

2．2水黾足部跗节分泌物的存在对水黾漂浮的影响

将水黾足反复用洗脱液冲洗，用洗脱液处理过的水黾无法正常漂浮，其足触水约2s后，被洗脱过的6只足都陷入水中，无法再形成疏水性的凹陷，身体紧贴在水面上。对照组均正常漂浮和活动。约17．6min后洗脱处理的水黾能再次浮在水面上恢复运动。由此说明水黾足部跗节经洗涤剂洗脱后失去疏水性分泌物，失去对水黾的支撑作用，说明疏水性物质是水黾漂浮和水面运动不可缺少的，水黾漂浮并非完全依靠其足部物理结构及水面张力。同时，水黾整个身体沉入中性洗涤剂溶液中，说明水黾身体上可能也跗有疏水油脂;水黾在失去跗节上油脂后，15～25min后会恢复正常，推测水黾体表具有能分泌此物质的分泌腺，该腺体能快速分泌，及时补充体表损失的疏水性物质(表2)。

2．3水黾足部疏水物质分泌腺的观察

通过电镜的观察，水黾足部的细毛和刚毛上只存在密集而浅淡的沟纹，并没有较深的沟或口(图1)，因此推测分泌口不在细毛和刚毛上;在水黾跗节和胫节的表皮上都没有找到深色的阴影，可排除分泌口在表皮的可能性;在水黾跗节上的细毛根部，有较深较大的阴影，初步推断疏水物质分泌口在细毛根部。通过用HE染色片的对照观察，发现水黾接触水的跗节部分，与一般不接触水的部分(跗节以上)存在差异(图2)。在跗节切片和对照切片的内部骨质结构周围都存在有一圈细胞核被染成蓝色的细胞结构。在跗节切片中，一侧的细胞层和骨质层有明显分离，其间存在一种黏稠状油脂，在对照切片中细胞层紧贴着骨质层。在其他组织结构都相同的情况下，初步判断骨质周围的细胞层是分泌疏水性油脂的机理结构，中间所夹得黏稠物即为跗节所分泌的疏水性物质。水黾足部跗节根部有毛囊结构，在毛囊下都可以观察到有细管与内腔分泌细胞相连。初步推断，分泌细胞产生油脂物质通过细管由毛囊排到体表。

3讨论与结论

实验结果表明，水黾足部跗节确实存在一种疏水性物质，该物质有辅助其漂浮的作用，在水黾跳跃、滑行等一系列正常运动中起到不可缺少的作用。并且这种物质也存在于水黾的整个体表，一旦失去了这类物质的辅助，水黾将沉入水中，无法漂浮。有研究者认为，水黾足部跗节上密集排列的细毛和刚毛的纳米级沟纹是水黾漂浮的主要原因［1］，经过本课题的研究认为，水黾能在水面上完成漂浮、滑行、跳跃等基本活动，不应单靠跗节足节的物理构造，足部的物理结构与其分泌的化学物质应是相辅相承、共同作用来完成水黾足部跗节的神奇疏水作用的。多次被洗去足部跗节油脂的水黾一般在15～25min内能恢复正常运动，表明水黾具有快速分泌脂类的腺体，可以及时补充水黾在水体运动过程中损失的体表疏水性物质，这也为下一步探索水黾足部是否有类似于分泌腺的机理结构奠定基础。表面结构电镜实验观察提示，水黾足部分泌疏水物质的腺体应在水黾足部跗节表面的细毛根部。对足部跗节进行HE染片对比实验后，发现在脚内部骨质内侧跗有细胞层，在水黾接触水面的跗节内部，细胞层和骨质层间会产生黏稠脂质。因此在其他组织结构都相同的情况下，可判断骨质周围的细胞层是分泌疏水性油脂的结构。苏丹Ⅲ染色显示呈橙红或鲜红色的“黏稠脂质”，提示骨质周围的这种细胞是一种脂肪细胞。仿生研究是国际上是十分活跃的研究前沿［2，3］。希望本研究能为设计漂浮于水面的微型机器人提供帮助。