壁虎為什么能在墻壁上爬行?
——壁虎的形態(tài)結(jié)構(gòu)功能的研究
北京一六一中學(xué) 夏 鵬
指導(dǎo)老師 劉永生
夏天傍晚,人們?cè)诼窡粝鲁?huì)看見(jiàn)一只只壁虎在豎直的墻壁上飛快爬行,卻不會(huì)落下來(lái).另外,我還觀察到,壁虎也能在豎直光滑的玻璃表面爬行.我們想了解為什么壁虎不會(huì)掉下來(lái)的原因,因此,我查閱有關(guān)資料,小學(xué)自然課本中這樣寫(xiě)到：“壁虎在墻壁上爬行時(shí),它的腳指(趾)粗大,指(趾)下的皮膚形成了很多橫褶,能夠起吸盤(pán)的作用.所以壁虎可以在直立的墻壁上爬行而掉不下來(lái).”我又查閱了《少年自然百科辭典》,書(shū)中這樣寫(xiě)到：“壁虎四肢的指(趾)扁平寬大,下面形成了皮膚襞褶,有無(wú)數(shù)微細(xì)的腺毛,且具有粘附能力,可在墻壁、天花板、光滑的平面上爬行.”難道真是上述原因使得壁虎可以在豎直的墻壁上和豎直的玻璃等光滑表面自由爬行呢?針對(duì)這個(gè)問(wèn)題我做了觀察試驗(yàn).
觀察試驗(yàn)一
1．目的 了解壁虎爬行的現(xiàn)象及規(guī)律.
2．材料和方法 壁虎1只,把它放在豎直的墻壁上和玻璃上觀察其爬行的情況.
3．結(jié)果 通過(guò)觀察,看到壁虎在墻壁上、玻璃上爬行時(shí),腹部和尾部緊緊貼在墻壁上,頭稍稍向上抬起,這樣可以觀察周圍的環(huán)境.前足掌指和掌指的跗節(jié)及后足的掌趾和掌趾的跗節(jié),也都緊貼在墻壁上,掌臂和腿節(jié)都向上抬起,支掛著全身重量,可帶動(dòng)掌指(趾)、跗節(jié)、后足向前爬行.在壁虎爬行時(shí)有這樣一個(gè)規(guī)律,左前足和右后足幾乎同時(shí)抬起,向前伸展,這時(shí)頭沖著右上方,而長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴卻向著左下方.然后右前足和左后足又同時(shí)抬起,向前伸展,這時(shí)頭沖著左上方,而尾巴相反向著右下方.整個(gè)身體呈“S”或“S”形.壁虎這樣爬行起到了一個(gè)把握身體平衡的作用.壁虎的爬行主要是靠前后足的交替運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的.
觀察試驗(yàn)二
1．目的 了解壁虎四趾的結(jié)構(gòu).
2、材料和方法
(1)雙筒解剖鏡1臺(tái)、顯微鏡1臺(tái)、壁虎2只、膠布1卷、手術(shù)刀1把.
(2)將壁虎的腹面向上,四肢用膠布貼在解剖鏡的平臺(tái)上,用雙筒解剖鏡觀察.
(3)用手術(shù)刀將1只壁虎的爪取下,用鑷子夾取上面的白褶一束,分別放在顯微鏡下觀察.
3．觀察結(jié)果
(1)壁虎每個(gè)足各有5個(gè)指(趾).
(2)指(趾)下的皮膚形成的橫褶是一層一層的,排列得很有規(guī)律,從側(cè)面看白褶都向斜上方凸起,褶和褶之間形成了一個(gè)個(gè)凹缺.
(3)在顯微鏡下觀察一束壁虎指(趾)下的皮膚白褶,發(fā)現(xiàn)白褶上密密麻麻地長(zhǎng)滿了白毛,很像一把刷子.毛很柔軟,像一根根能夠自由彎曲的針.
(4)壁虎指(趾)的尖端除去拇指(趾)以外,其余4指(趾)尖端都生有一個(gè)鉤爪.
(5)取下其中的1個(gè)鉤爪,放在顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)壁虎鉤爪的下端左右兩側(cè)各有1個(gè)更小的小鉤.這樣每個(gè)指(趾) [拇指(趾)除外)均擁有3個(gè)鉤(1個(gè)大鉤、2個(gè)小鉤),壁虎共有16個(gè)指(趾)有鉤,這樣1只壁虎的鉤爪數(shù)量為：
3×(20—4)=48(個(gè))它們?cè)诒诨⑴佬兄幸欢〞?huì)起到重要的作用.
(6)每個(gè)掌足指(趾)的跗節(jié)處,都密密麻麻地生有環(huán)狀的皮墊,而且圓形皮墊內(nèi)凹凸不平.
以上這些結(jié)構(gòu)在壁虎爬行中各自都起著重要的作用.為了更具說(shuō)服力,我做了以下幾組對(duì)比性試驗(yàn).
觀察試驗(yàn)三
1．目的 了解各個(gè)結(jié)構(gòu)在壁虎爬行時(shí)所起到的作用.
2．材料和方法 壁虎2只,膠條1卷,手術(shù)刀1把,解剖盤(pán)1個(gè),玻璃板 (50厘米×40厘米)1塊,計(jì)時(shí)器1個(gè),寬2厘米、長(zhǎng)50厘米的狹窄通道2個(gè) (其一表面粗糙,其二表面光滑).
3．觀察結(jié)果 觀察試驗(yàn)a：當(dāng)把1只壁虎的白褶用膠條全部貼住時(shí),再把壁虎重新放回豎直的墻壁上,壁虎仍可繼續(xù)爬行,只是速度慢了許多,把壁虎放在豎直的玻璃板上,剛一松手,壁虎便掉落下來(lái).
觀察試驗(yàn)b：把壁虎放在解剖盤(pán)里,用手術(shù)刀將指(趾)尖的鉤爪全部切去,再把它重新放在豎直的墻壁上.結(jié)果是剛一松手,壁虎便掉落下來(lái),而把它放在豎直的玻璃板上,壁虎卻能夠繼續(xù)爬行.
觀察試驗(yàn)c：用手術(shù)刀各切去每個(gè)足上的1個(gè)鉤、2個(gè)鉤、3個(gè)鉤、4個(gè)鉤,觀察到的現(xiàn)象如表1所示.
觀察試驗(yàn)d：把1只壁虎分別放到長(zhǎng)50厘米、寬2厘米的玻璃和粗糙平面的狹窄通道,記錄其通過(guò)全程所用的時(shí)間(表2).
結(jié)果與分析
通過(guò)觀察和試驗(yàn),說(shuō)明壁虎在墻壁上爬行時(shí),鉤爪起著極其重要的作用；在玻璃上爬行則指(趾)上白褶起著極其重要的作用.我們可以得出下列結(jié)論：壁虎在墻壁上爬行,用鉤爪可以鉤掛住墻上凸起的顆粒,隨著前后足的交替運(yùn)動(dòng)可以向前爬行,白褶上的褶毛會(huì)一根根地插入墻壁的凹陷處,起到穩(wěn)固作用,同時(shí)也加上尾巴的左右擺動(dòng)和身體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)一起保持平衡.壁虎在光滑的玻璃表面爬行時(shí),由于白褶突起,褶和褶之間形成了一個(gè)個(gè)凹陷,當(dāng)壁虎在玻璃上向上爬行時(shí),這一層層白褶被壓得扁扁的,褶和玻璃之間形成廠一個(gè)個(gè)密閉小倉(cāng),里面形成了真空,可以起到吸盤(pán)的作用.而且白褶的褶毛是向斜上方生長(zhǎng)的,容易使足帶動(dòng)指(趾)向上運(yùn)動(dòng).另外一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)是壁虎的爪墊,它緊貼在玻璃上,因?yàn)樽|內(nèi)凹凸不平,也能起到一定的吸附作用.同時(shí)由于白褶褶毛和皮膚起到了增大摩擦力的作用,當(dāng)然也有尾巴的擺動(dòng)和身體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),這樣就使得壁虎在光滑的玻璃表面能爬行.
我在解剖鏡下觀察壁虎指(趾)的結(jié)構(gòu)肘,發(fā)現(xiàn)指(趾)背面覆蓋著的鱗片生長(zhǎng)排列很有規(guī)律,當(dāng)指(趾)彎曲時(shí),一片片的鱗片都向上翹起,鱗片之間有一些空隙.而當(dāng)壁虎在墻壁—亡或玻璃板上時(shí),指(趾)緊貼在墻壁或玻璃的表面,這時(shí)鱗片一片壓著一片,其間沒(méi)有什么空隙.壁虎在它爬行與不爬行時(shí)鱗片的兩種不同的排列方式,從力學(xué)角度上來(lái)說(shuō)起到了一個(gè)增大壓力的作用.之所以這樣說(shuō)是因?yàn)椋寒?dāng)壁虎不爬行時(shí),指(趾)上的骨骼舒展開(kāi)來(lái),從而使得鱗片一個(gè)壓著一個(gè),這樣每個(gè)鱗片對(duì)于它所壓的鱗片便施加了一個(gè)力.根據(jù)力的原理：物體間的力可以大小不變地向一定方向傳遞.又由于鱗片是向前方生成的,這樣力的傳導(dǎo)方向便是向著指(趾)的尖端.然而指(趾)尖端是鉤爪,這樣每一個(gè)鱗片產(chǎn)生的力便集中到了一起,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的力.
由此可見(jiàn),壁虎在豎直的墻壁上爬行時(shí),鉤爪鉤掛住墻上凸起的顆粒,褶毛插入墻壁的凹陷處,隨著前后足的交替運(yùn)動(dòng)向前爬行.在豎直的玻璃上爬行,白褶受到擠壓形成了密閉的小倉(cāng),起到了吸盤(pán)的作用,同時(shí)爪墊也起到輔助吸附的作用.而且在任何爬行當(dāng)中,鱗片都起到增大鉤掛力量和加大摩擦力的作用.再與身體的運(yùn)動(dòng)和尾巴的擺動(dòng)各方面的配合,就可以使得壁虎可以在豎直的墻壁上、玻璃上爬行.
那么,自然課本上所說(shuō)的一些觀點(diǎn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明后發(fā)現(xiàn)前后有所矛盾.比如,自然課本上說(shuō)壁虎是在墻壁上爬行,橫褶起吸盤(pán)的作用.可是墻壁上凹凸不平,白褶貼在墻壁上,一定有許多細(xì)小的空隙,根本不可能形成密閉的小倉(cāng),也不可能起到吸盤(pán)的作用,所以這個(gè)觀點(diǎn)前后矛盾.另外一書(shū)中所提到的是皮膚褶襞有無(wú)數(shù)徼細(xì)的腺毛,有粘附能力.可是我在顯微鏡下觀察褶毛不是一種管狀結(jié)構(gòu),里面也沒(méi)有儲(chǔ)存液體,而且在壁虎爬過(guò)某一物體后,物體上沒(méi)有任何痕跡,因此我認(rèn)為這個(gè)觀點(diǎn)也是不對(duì)的.
點(diǎn)評(píng)
選擇壁虎問(wèn)題做研究題目,應(yīng)當(dāng)說(shuō)對(duì)作者是一個(gè)挑戰(zhàn).由于壁虎是一種日常生活中常見(jiàn)的動(dòng)物,已經(jīng)有很多科學(xué)家開(kāi)展過(guò)這方面的研究,因此搞不好作者的研究會(huì)落入俗套.但是本文作者以青少年研究科學(xué)的新視角進(jìn)行觀察,對(duì)壁虎問(wèn)題開(kāi)展了別開(kāi)生面的研究,令人耳目一新.
作者從壁虎的爬行特征、組織結(jié)構(gòu)以及不同結(jié)構(gòu)的作用多方面進(jìn)行了觀察和研究,在很多地方有新創(chuàng)意,這是值得我們青少年總結(jié)學(xué)習(xí)的.特別是作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)后,能夠?qū)ψ约旱男W(xué)自然課本中的一些說(shuō)法提出異議,證據(jù)確鑿,以理服人,讓人非常佩服作者的認(rèn)真、細(xì)致與執(zhí)著.青少年在科學(xué)研究的過(guò)程中非常需要這樣的精神,要從小事做起,絕不放過(guò)研究中的一點(diǎn)一滴的“小問(wèn)題”,要懂得很多大文章都是從小事做起的.