终极咬合武器——尖牙背后的科学

想到毒蛇的刺痛和黄蜂的刺痛，恐怖季节就让人毛骨悚然。它们让我们毛骨悚然是有原因的，因为数千年的进化让大多数人对蛇和蜘蛛等令人毛骨悚然的生物产生了恐惧，这主要是因为它们的咬伤会带来威胁。

然而，这些可怕的尖牙、毒刺和刺是动物用来自卫的生物工具，可以帮助人类开发出更“抗刺穿”的材料。在今天发表于《皇家学会界面杂志》的一篇新论文中，一组研究人员详细介绍了一个模型，该模型可以计算能量，即当一个生物刺穿另一个生物时，穿刺动作背后的能量是如何运作的。

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“这项研究背后的想法是提出一个定量框架，用于比较各种生物穿刺系统，”领导这项研究的伊利诺伊大学香槟分校进化、生态和行为学教授菲利普·安德森在一份新闻稿中说。“这项研究的最初问题是，我们如何测量这些不同的系统，使它们具有可比性。”

动物和植物使用各种穿刺策略来刺伤猎物或防御捕食者，包括像蜜蜂一样螫人，像蛇一样咬人。然而，研究人员表示，即使是那些使用类似策略或工具的动物也可以定制这些工具以满足其特定需求和不同目标。

研究生物穿刺系统力学和能量学的安德森说：“例如，有些毒蛇会咬哺乳动物，这意味着它们必须刺穿皮肤包裹的软组织，而有些毒蛇则以爬行动物为目标，因为爬行动物有鳞片，这使得它们更硬，更难刺穿。”

另一方面，寄生蜂可能会使用它们的产卵器（一种用于产卵的管状器官）来帮助它们钻进毛虫的皮里，但可以穿透水果甚至木头。

撰写该论文的博士后研究员张兵洋在新闻稿中表示：“预测生物系统的特性是一个具有挑战性的问题。”

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为了开发一个可以应用于多种生物系统的模型，张教授认为，在计算穿刺动作的能量时，必须考虑一些关键因素。这些因素包括使用穿刺工具时动能（或运动）的变化，以及目标材料，例如是鳞状爬行动物还是多毛哺乳动物。

新模型的使用是为了帮助人们更好地理解穿刺生物，例如毒蛇毒牙、黄貂鱼刺和寄生蜂产卵器。

“如果我们知道穿刺工具造成的损伤的形态或形状，我们就可以利用这个模型来预测穿刺过程中消耗的能量，”张说。“或者我们可以预测材料性能的不同方面，例如它将如何断裂，这对工程和生物应用都很有用。”