蟻群是流體 還是固體?

文/胡利德(台裔美籍科學家;美國喬治亞理工學院流體 |2020.07.13
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美國陣亡將士紀念日假期過後的那個星期二,我接到隔壁教授的求救電話。他早上來到辦公室時,一如往常在書桌前坐下,他的腳碰到桌子底下某個像海綿一樣軟軟的東西,低頭一瞧,竟然看見一座約30公分高的迷你艾菲爾鐵塔,紅通通、氣鼓鼓的。 圖/米各

文/胡利德(台裔美籍科學家;美國喬治亞理工學院流體力學及生物物理學教授)

一隻潛入水中的火蟻,其氣盾(由氣泡組成的假鰓)清晰可見。螞蟻的密度雖然比水大,但由於在體表帶了一層氣泡,因此得以浮起。當螞蟻透過表皮呼吸,氣泡內的氧氣便會愈來愈少,接著再藉由擴散作用,從周遭水中的溶氧來補充。耗氧的速率等於氧的擴散速率,使牠們能夠永久在水下呼吸。

美國陣亡將士紀念日假期過後的那個星期二,我接到隔壁教授的求救電話。他早上來到辦公室時,一如往常在書桌前坐下,他的腳碰到桌子底下某個像海綿一樣軟軟的東西,低頭一瞧,竟然看見一座約30公分高的迷你艾菲爾鐵塔,紅通通、氣鼓鼓的。原來,那是一群螞蟻疊成的高塔,而且還不是一般的螞蟻,是螫針帶有毒性的火蟻。這群火蟻怎麼有辦法逃出我的實驗室?

平常,火蟻都被關在我實驗室的塑膠桶子裡,這桶子對牠們的體型來說,相當於10層樓高,桶壁塗有液態鐵氟龍,因此猶如火蟻的惡魔島般,可說是難以逃脫的牢獄。然而,連續3天的長假使火蟻有足夠的時間聚集10萬大軍,大舉遷移,牠們互相堆疊在彼此身上,建造一座攻城塔,以逃出桶子。牠們帶著蟲卵和幼蟲,釋放出化學氣味,好帶領蟻群在實驗檯間穿梭,並沿著櫃子側邊往下移動,接著穿越實驗室地板、鑽過緊閉的實驗室大門門縫,最後再鑽進隔壁教授的門。由於牠們的脫逃能力強大,我們每天都會檢查桶子,但就怕遇到3天連假,因為多年下來,我已成為生物系最令人厭惡的教授。

火蟻不只有能力逃出實驗室而已,多年前,牠們甚至逃出了整個大陸。火蟻源自巴西的潘特納爾溼地,此處地勢寬闊平坦。旱季時,火蟻會住在地道中,但在雨季時,潘特納爾有80%的地方淹水,導致許多動物必須逃到少部分依然乾燥的地區。火蟻也會撤退到乾燥地帶,牠們會將彼此的身體相連,宛如一條拼布被。火蟻的身體可以留住氣泡,使牠們能在水下無止盡地呼吸,而牠們的腳則可以相互黏附,一個有10萬隻火蟻的群落可以形成約餐盤大小的筏子。在淹水時,眾多蟻群互相連結,就像漂浮在水面上的紅色海藻。因為牠們擅於在天災中存活下來,因此得以散布到世界各地。

兵來將擋 水來土掩

麥可教我研究火蟻的實驗室常用的招數,他接上一條水管,讓水一滴一滴注入裝滿土的桶子,利用緩慢滴水模擬下雨,讓螞蟻有充足的時間可以整兵,並集體撤退到表面,就如同牠們在巴西的雨季會做的行為一樣。

讓水滴了一整晚後,隔天早上我回到實驗室。桶內裝滿褐色的水,土壤全都泡在水中了,水面上浮著一個長得像變形蟲的不規則狀物,但卻有小餐盤的大小,邊緣則可見到動來動去的小腳和觸角。整張筏子又寬又平。當我從筏子中央往下壓,它會像一塊橡皮般變形後彈回,表面則維持乾燥。螞蟻腳之間的空隙非常緊密,因此水無法穿透,除非整張筏子被壓到水面下。筏子之所以能壓縮及延展,是因為它由數以千計的螞蟻腳連接而成,每一隻腳都能彎曲或伸展。但這張筏子怎麼能夠同時具備固體和液體的特性呢?

如果你把一枚硬幣放在筏子上面,它很快就會被吞沒,因為螞蟻會不斷爬上硬幣,硬幣下方的螞蟻會使勁爬出去,同時又有其他螞蟻爬上硬幣,將硬幣推到更下面。慢慢地,硬幣就像一支緩緩陷入優格的湯匙那樣沉入筏子。螞蟻之所以做得到這點,是因為牠們不需要去管彼此的身體是如何連結的,牠們幾乎是採取任何方向都可以。我們將其中一球螞蟻急速冷凍後進行電腦斷層掃描,發現螞蟻的腳可接在鄰居身體的任何一個部位,這種可快速連接而不挑選位置的能力,使牠們得以補上硬幣留下的缺口,讓整個蟻筏表現出液體的行為。一滴水是由超過1021個水分子所組成,也就是10後面加21個零;蟻筏只有數千個連結,但這樣似乎就足夠讓筏子展現類似液體的行為。

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