蚂蚁负重能力的生物力学机理研究

目的自然界中,不同种属的蚂蚁觅食期间的负重能达到其自身重量的十数倍乃至数十倍。现阶段学界对这一现象的解释局限于尺寸效应,然而这无法解释同一尺寸量级的不同昆虫、不同种属蚂蚁之间负重能力的巨大差异。因此,本研究的目的是立足于蚂蚁头颈部骨肌系统,探究蚂蚁负重能力的生物力学机理。方法选取收获蚁这一代表性蚁种,综合采用结构、力学、材料和组化等多领域的实验方法,实现了对其头颈部外骨骼多尺度结构、外骨骼力学性能、外骨骼元素及物相组成、肌肉代谢水平等多方面的系统性表征。结果宏观上,蚂蚁颈部外骨骼的仿拱桥形截面有助于减小其头-颈界面的应力水平。其中,前、中、后段不同截面的渐变结构也极大改善了应力集中。微观上,外骨骼内部在微米尺度上存在“密-疏-密”型分布,在纳米尺度上几丁质纤维螺旋形成了Bouligand结构,均有助于增强其韧性。材料上,蚂蚁大颚尖端外骨骼中Zn元素含量呈现梯度增加,增强了负重时夹持部位的刚度和硬度。组织层面,控制蚂蚁颈部运动的肌肉中存在广泛的线粒体融合,使颈部肌肉在负重时能快速产生大量ATP。结论蚂蚁头颈部骨肌系统为其强大的负重能力提供了坚实基础。