小昆蟲也有大智慧！看沙漠甲蟲如何從空氣中取水

水，是地球的生命之源。即便是在科技如此發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)，人類依舊面臨著嚴(yán)峻的淡水危機(jī)。2022年的發(fā)布的《聯(lián)合國世界水發(fā)展報(bào)告》指出，全球約2/5的人口缺少生活用水，近40億人在一年中至少有一個(gè)月面臨嚴(yán)重缺水，21億人被迫飲用污染水。

小小的水分子，卻維系著整個(gè)大自然的生存。尤其是在地球上干旱最為嚴(yán)重的沙漠地帶，如何高效率地利用僅有的淡水資源尤為關(guān)鍵。而在納米布沙漠里活躍了千萬年的小甲蟲，在大自然“物競天擇，適者生存”層層篩選下，進(jìn)化出了高效率、低能耗的特殊的汲水能力，而這種能力成功幫助他們適應(yīng)了沙漠中極度缺水的環(huán)境，讓這一物種得以代代延續(xù)。

位于非洲的納米布沙漠占地面積達(dá)50,000平方公里，是世界上最古老的沙漠之一，干旱和半干旱的氣候已持續(xù)了最少8千萬年，其最高溫度可達(dá)60℃以上，每年的降雨量不到10毫米，幾乎成為了生命的禁區(qū)。但是大自然就是這么奇妙，在這樣一片寸草不生的沙漠中，竟然還有生命存在。納米布沙漠甲蟲是生命適應(yīng)地球自然環(huán)境的奇妙代表。

納米布沙漠甲蟲屬于有翅亞綱，鞘翅目，一般為黑色或暗褐色。它們身體長約2厘米，扁平而堅(jiān)硬，它們的頭很小，背上有堅(jiān)硬的翅膀，叫做鞘翅。鞘翅很大，可以將整個(gè)身體的后部蓋住。而它適應(yīng)極端干旱環(huán)境的秘訣，就藏在它背上這大大的鞘翅里。

通過顯微鏡可以清楚地看到，鞘翅表面布滿了密密麻麻的凸起（圖片），這些“麻點(diǎn)”呈近距離任意分布，每一個(gè)“麻點(diǎn)”的平均直徑為0.5毫米，高約有幾百微米，“麻點(diǎn)”之間的平均距離為0.5到1.5毫米。每個(gè)“麻點(diǎn)”就像一座山峰，“麻點(diǎn)”與“麻點(diǎn)”之間的就像山谷。山峰與山谷在顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)是不同的，也表現(xiàn)出對(duì)液體不同的性質(zhì)。

通過特殊的染色手段，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在山谷區(qū)域覆蓋著一層蠟狀外衣，在顯微鏡下觀察，它的微觀結(jié)構(gòu)是由扁平半球規(guī)則排列形成的，半球直徑約為10毫米。這種結(jié)構(gòu)類似于荷葉表面，表現(xiàn)出疏水性，即對(duì)水排斥的物理性質(zhì)。

那什么叫做“疏水性”呢？這里就需要首先了解一下表面張力的概念了。表面張力主要是因?yàn)楸砻鎯蓚?cè)分子間作用力不同引起的，通俗來講，就是液體表面分子組成了一層薄膜，由于表面張力的作用，這層薄膜會(huì)產(chǎn)生繃緊的趨勢，這種趨勢會(huì)使薄膜的表面積盡可能地減小，所以我們才會(huì)觀察到露珠的形狀更接近于圓形，這是因?yàn)樵谫|(zhì)量一定的前提下球形的表面積最小。當(dāng)液滴在接觸面的形態(tài)越接近于球形，則說明接觸面的“疏水性”越強(qiáng)，反之則說明其“親水性”越強(qiáng)。

回到沙漠甲蟲的鞘翅表面，由于山谷區(qū)域覆蓋著疏水性強(qiáng)的蠟狀外衣，讓水滴難以在表面停留，而在山峰區(qū)域卻沒有覆蓋這種物質(zhì)，表面光滑，呈現(xiàn)出與山谷截然相反的親水性，容易被水潤濕。正是由于同時(shí)存在著“疏水”和“親水”兩種截然不同的結(jié)構(gòu)，讓它練就了在茫茫沙漠里“憑空取水”的絕技。

當(dāng)然，天時(shí)地利的因素也是關(guān)鍵，在這里不得不提到納米布沙漠獨(dú)特的地理特征，由于晝夜溫差大，氣壓變化頻繁，海中的濕熱浪掠過本格拉寒流沖向沙漠時(shí)，濕熱空氣遇冷凝成霧，造成了納米布沙漠成為世界上霧最多的沙漠。（而沙漠甲蟲就是充分利用這個(gè)機(jī)會(huì)，每當(dāng)清晨霧氣最濃的時(shí)候，它們就會(huì)在霧中頭朝下，背對(duì)著風(fēng)，用親水性山峰從霧氣中吸附水分，漸漸形成水滴。積累到了一定程度，水滴就會(huì)毫不費(fèi)力地沿著疏水性山谷滑動(dòng)，流向甲蟲的嘴巴?？茖W(xué)家通過觀測發(fā)現(xiàn)，如果氣溫、濕度以及甲蟲的體溫都特別合適的話，甲蟲在一個(gè)早晨就能喝到相當(dāng)于它們體重40%的水。

過去，在沙漠和其他干旱地區(qū)，從空氣里收集水的系統(tǒng)由于需要運(yùn)轉(zhuǎn)冷凝設(shè)備而耗電巨大，在納米布沙漠甲蟲的啟發(fā)下，科學(xué)家研制出一種納米材料涂層，并應(yīng)用于沙漠集水器設(shè)備中，使得人們可以從霧或露水中吸收水份來飲用而無需再借助冷凝設(shè)備。

這種特殊的涂層材料表面就類似沙漠甲蟲的鞘翅，科學(xué)家通過將聚四氟乙烯納米粒子沉積在超疏水銅網(wǎng)上模仿沙漠甲蟲鞘翅表面的麻點(diǎn)紋理，并與親水銅片結(jié)合形成混合表面，霧氣中微小的水滴通過親水表面得以聚集，疏水表面又能夠及時(shí)讓聚集形成的大水滴滑落，從而實(shí)現(xiàn)水的收集。

科學(xué)家效仿這一特殊功能，開發(fā)了一系列汲水裝置，如汲水屋頂瓦片，汲水特制帳篷、自動(dòng)蓄水水壺等，極大地緩解缺水地區(qū)的淡水獲取問題，作為飲用水生產(chǎn)方式的重要補(bǔ)充，為人類提供更多清潔、可靠的飲用水源。

本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品

團(tuán)隊(duì)名稱：中科幻彩

審核：周曉亮

出品：中國科協(xié)科普部

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