2022年7月8日上午11點(diǎn)，日本白濱町海岸邊的白濱水族館內(nèi)，一只孔雀螳螂蝦連砸兩下水族箱；30分鐘后，120公里外的奈良大和西大寺車站旁，一位前日本政要連中兩槍倒地。

對(duì)于科學(xué)傳播者來說，刺殺事件理論上可供操作的選題還算豐富：你可以運(yùn)用槍械學(xué)知識(shí)，介紹霰彈槍、手槍和自制槍械，也可以結(jié)合彈道學(xué)與法醫(yī)學(xué)，聊聊槍彈進(jìn)入并損傷人體的過程，還可以調(diào)度科技史料，講述防彈衣的起源發(fā)展，更可以借助材料學(xué)和力學(xué)原理，科普防彈面料的“接化發(fā)”機(jī)制。

而我則選擇先給文章擬一個(gè)充滿暗示的曖昧標(biāo)題，以及一句模仿蝴蝶效應(yīng)的矯情前言。這是因?yàn)楸疚闹鹘强兹阁胛r完美集齊了所有能強(qiáng)關(guān)聯(lián)刺殺事件的科學(xué)要素：一個(gè)日本的刺客，一把自制的手槍，一顆殺人的子彈，一件保命的防彈衣。

撰文?|?嗶普星人

顏值MAX版的皮皮蝦

皮皮蝦在民間流量很高。它們令無數(shù)食客大快朵頤，也是表情包里的坐騎，更有藝術(shù)大師向其致敬，很多觀眾都因電影《食神》了解到皮皮蝦也叫撒/瀨尿蝦，能和牛肉“摻在一起做成爆漿撒尿牛丸”，瀨尿之名源于它們被抓住后腹部會(huì)出水。
由于皮皮蝦有著螳螂式的鐮刀前肢，故英文使用者稱它們?yōu)椤癿antis shrimp”,直譯作“螳螂蝦”。
孔雀螳螂蝦（peacock mantis shrimp）和皮皮蝦是近親，同屬于節(jié)肢動(dòng)物門—甲殼亞門—軟甲綱—掠蝦亞綱—口足目（Stomatopoda，并非嚴(yán)格意義上的蝦類），不過前者歸于趾蝦蛄總科（Gonodactyloidea）下的齒趾蝦蛄科（Odontodactylidae），學(xué)名“蟬形齒指蝦蛄（Odontodactylus scyllarus）”；后者是蝦蛄總科（Squilloidea）蝦蛄科（Squillidae）的成員，學(xué)名“口蝦蛄（Oratosquilla oratoria）”。
你如果沒那么講究，其實(shí)大可以稱孔雀螳螂蝦為孔雀皮皮蝦。
那些標(biāo)準(zhǔn)蝦類，例如對(duì)蝦、紅蝦、龍蝦等，是蝦蛄們的遠(yuǎn)親，屬于軟甲綱—真軟甲亞綱—十足目（Decapoda）。

圖1.蝦類的外部形態(tài)草繪圖。上：普通蝦類；下：皮皮蝦。[1]

當(dāng)你第一眼見到孔雀螳螂蝦時(shí)，你會(huì)被它的真誠打動(dòng)，因?yàn)樗鞘畮桌迕组L的身軀就像它的名字一樣花哨，好似微縮版的孔雀開屏，又如拉長后的彩虹琥珀。
藍(lán)綠寶石般的背部，大紅、深紅的腿肢及下腹，赤橙黃綠藍(lán)靛白的觸角，深藍(lán)色的眼柄，工業(yè)朋克風(fēng)的卡姿蘭大眼睛。

圖2. 眼柄常見于十足類、口足類等動(dòng)物，呈棒狀形態(tài)，長在頭部側(cè)面，類似于觸角，裝在眼柄里的眼睛可自如轉(zhuǎn)動(dòng)。[2]

邂逅它們的攝影師絕不會(huì)錯(cuò)過定格藝術(shù)的良機(jī)，有強(qiáng)迫癥的觀眾會(huì)拿出調(diào)色板與之對(duì)比，古樸的進(jìn)化論者推測它們的絢麗與孔雀同理，都為異性相吸繼而一夫一妻[3]。不過坦白講，我們無法確定它們能否與人類一樣欣賞自己的魅力。

見色不鑒色

孔雀螳螂蝦的視覺系統(tǒng)可以說工業(yè)有余而朋克不足。

圖3. 螳螂蝦的光感受系統(tǒng)。[4]
包括人類在內(nèi)的大多數(shù)哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜中只有3類光感受器，分別對(duì)紅、綠、藍(lán)光敏感。孔雀螳螂蝦的眼睛則擁有12種不同的感受器（某些品種甚至有16種），其中8種覆蓋了人類可見的光譜，另外4個(gè)落在紫外光譜區(qū)。此外，它們還可以感知偏振光。

圖4. 人眼的感光通道相比螳螂蝦實(shí)在是乏善可陳。[4]
然而，奢侈的視網(wǎng)膜配置，12個(gè)感光通道，并未賦予它們優(yōu)異的色彩分辨力?？茖W(xué)家測試發(fā)現(xiàn)，人類能分辨出波長相差5納米的顏色之間差異，而螳螂蝦卻掙扎于15-25納米的區(qū)間。

圖5. 人類能以50%的準(zhǔn)確率看出左、中兩列的顏色差異，螳螂蝦只能以同等準(zhǔn)度區(qū)分右列和中列。[5]

這種反差的原因在于，它們的視覺系統(tǒng)重在“技術(shù)識(shí)別”而非“藝術(shù)鑒賞”。
人眼的視錐細(xì)胞彼此緊密關(guān)聯(lián)，組成復(fù)雜機(jī)制；這些細(xì)胞對(duì)光的響應(yīng)差異，再加上神經(jīng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)對(duì)響應(yīng)信號(hào)的處理，令我們得以感知細(xì)微的顏色差異。
相比之下，螳螂蝦的視錐細(xì)胞“彼此獨(dú)立工作，無需復(fù)雜的神經(jīng)計(jì)算”，當(dāng)感光信息離開視網(wǎng)膜抵達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，會(huì)有“大量并行數(shù)據(jù)流”，允許視覺總部同時(shí)處理好幾條數(shù)據(jù)。這種類型的視覺系統(tǒng)往往難以準(zhǔn)確辨別不同顏色，卻能快速識(shí)別顏色存在，有利于螳螂蝦敏銳地發(fā)現(xiàn)天敵或獵物[4, 6]。

命送螳螂槍

對(duì)于一個(gè)刺殺者來說，光有敏銳度是不夠的，一把自制手槍才是于人叢中索命的關(guān)鍵。
孔雀螳螂蝦有兩把手槍，也就是它那兩條錘子般的掠食前肢（raptorial appendages/legs）。
螳螂槍的運(yùn)作機(jī)制與弓箭異曲同工。
射箭者的開弓手向箭頭的反方向平移，使得弓弦積聚彈性勢能，然后松開，弦的勢能轉(zhuǎn)化為箭的動(dòng)能。螳螂槍則借助更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合弓級(jí)別的威力。

圖6. 示意：將掠食前肢的結(jié)構(gòu)類比為機(jī)械結(jié)構(gòu)。[7]

我們不妨通過上圖觀摩下這組機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方式。鑒于圖中有大量冷僻的節(jié)肢動(dòng)物專用術(shù)語，為求簡潔和通俗，我們暫且擱置所有生物學(xué)的概念，只把掠食前肢當(dāng)作機(jī)械結(jié)構(gòu)來看待。
不難看出，螳螂槍的精髓就在于“一彈兩心”：
“一彈”指的是那個(gè)英文名叫“saddle”的彈簧，負(fù)責(zé)為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，孔雀螳螂蝦會(huì)利用掠食前肢的強(qiáng)壯收縮?。▓D中未顯示）將彈簧大幅度擠壓，從而蓄滿勢能。此時(shí)，伸?。▓D中以紅色圖案顯示）也處于收縮狀態(tài)。
“兩心”是指兩個(gè)軸心點(diǎn)，第一軸心點(diǎn)和第二軸心點(diǎn)，也就是圖中“merus-v”的底端點(diǎn)（黑點(diǎn)）以及“carpus”和“merus-v”的連接點(diǎn)（白點(diǎn)）。如果緊繃的彈簧松開，勢能將瞬間釋放，伸肌會(huì)伸展開來，merus-v會(huì)繞第一軸心點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，carpus則繞第二軸心點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而固定在carpus上的“鐮刀”，即“propodus+dactyl”，將疾速揮舞，其中dactyl給予目標(biāo)以直接殺傷。

圖7. Saddle彈簧一松，勢能即刻轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，原本處于收縮狀態(tài)的伸肌會(huì)伸長。[7]

蓄勢，突擊。[8]
鐮刀揮舞有多快呢？數(shù)據(jù)是最直觀的[7, 9, 10]：
啟動(dòng)后的加速度能達(dá)到重力加速度的10400倍，即超過105m/s2，堪比點(diǎn)22口徑子彈和F1發(fā)動(dòng)機(jī)里的活塞。
一次完整揮舞耗時(shí)約2.7毫秒，平均時(shí)速83公里；人類眨一次眼需要100-400毫秒，而孔雀螳螂蝦眨眼間已完成上百次亂殺。
擊打力度可達(dá)1500牛，數(shù)千倍于自身體重，足以輕松擊穿獵物外殼，甚至能打碎水族箱玻璃；職業(yè)拳擊手的擊打力約為5000牛。
必須要指出的是，以上數(shù)據(jù)均在水下實(shí)現(xiàn)……

魂斷空化彈

言至此處，我們不得不佩服螳螂槍的駭人火力。不過既然稱呼它為槍，就應(yīng)該配上子彈才顯妥當(dāng)。
螳螂槍的子彈叫“空化彈”，不是空包彈，不是空頭彈，是英文名為“cavitation bubble”的空化彈。
所謂的空化（cavitation）是一種流體力學(xué)現(xiàn)象：液體在遇到壓力的快速變化時(shí)，其內(nèi)部會(huì)形成蒸汽空化腔（vapor cavity），接著液體又會(huì)極快地填充空腔，快到令空化泡向內(nèi)潰滅（collapse），或者說內(nèi)爆（implode），進(jìn)而產(chǎn)生劇烈沖擊波。

圖8. 空化泡潰滅并沖擊其下方平面的過程[11]
由于掠食前肢擊打速度實(shí)在太快，撞擊區(qū)域的水瞬間蒸發(fā)，形成大量空化泡，再迅速集體內(nèi)爆，完成空化彈殺傷。
理論上，一個(gè)直徑2.7毫米的空化泡潰滅能產(chǎn)生強(qiáng)度超過9兆帕（900N/cm2）的沖擊。而螳螂槍制造的空化彈相當(dāng)于一次500牛的擊打[12]。
對(duì)于獵物來說，它們即便僥幸招架住兇猛的捶打，也逃不過空化彈的二次擊殺。
兇悍的殺傷力幫助孔雀螳螂蝦站至海洋食物鏈的高處。只有虎鯨、鯊魚、兩三米長的藍(lán)鰭金槍魚、一兩米長的梭魚等絕對(duì)碾壓級(jí)生物，才能對(duì)皮皮蝦尺寸的孔雀螳螂蝦實(shí)施制裁。在很多情況下，它們會(huì)獵殺塊頭比自己大的對(duì)象，例如日本紀(jì)伊半島之南的各種螃蟹，美國關(guān)島周圍的各種大蝦，中國臺(tái)灣海域的某些魚類。
這里需要指出，擁有日本武士道風(fēng)范的孔雀螳螂蝦不只生活在日本附近，印度洋和太平洋的沿岸海域都廣泛分布著它們的身影。

圖9. 孔雀螳螂蝦的全球分布。黃色區(qū)域?yàn)樗鼈兓顒?dòng)的海域。南紀(jì)白濱町是孔雀螳螂蝦在日本的主要分布區(qū)域之一。[13]

寶甲護(hù)槍不受傷

言至此處，文章標(biāo)題中“刺客”、“槍殺”、“子彈”的元素都已說完，還剩下一個(gè)“寶甲”。
刺客當(dāng)然也需要穿防彈衣了，不過孔雀螳螂蝦的寶甲并非穿在身上，也并非為了防御敵人，而是裝在螳螂槍上的。如果沒了這對(duì)防彈套件，它們的刺殺就會(huì)像七傷拳一樣殺敵傷己。
如前文所述，孔雀螳螂蝦的打法特點(diǎn)稱得上剛猛迅疾，而剛猛的前提是那對(duì)掠食前肢的擊打部分——也就是與目標(biāo)發(fā)生直接接觸的“dactyl”——足夠堅(jiān)硬，足夠有分量。是否堅(jiān)硬有分量，取決于內(nèi)部的材料結(jié)構(gòu)。（前文已通過圖片介紹過dactyl和propodus，你可以把dactyl理解為鐮刀的刀刃或錘子的錘頭，propodus則是手柄。）

圖10. 示意：掠食前肢中負(fù)責(zé)擊殺的部分，也就是螳螂槍的本體。這部分由dactyl和propodus組成。[6]

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，dactyl的前端，也就是上圖中紅色的“撞擊前沿”，含有高濃度礦物質(zhì)，以羥基磷灰石為主，而且結(jié)晶度很高，是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最硬最剛最不易變形的部分，彈性模量高達(dá)65-70GPa。
彈性模量是描述物質(zhì)彈性的物理量，其數(shù)值大小反映材料在外力作用下變形的難易程度，彈性模量越大，材料越剛硬，越不容易變形。當(dāng)然了，外力作用方式有很多種，可以向外拉伸，可以向內(nèi)擠壓，也可以側(cè)向剪切；彈性模量自然也包含多種類型。
這里的彈性模量反映材料在擠壓作用下的變形難易。實(shí)驗(yàn)者通過納米壓痕法，測算得到了撞擊前沿的壓縮彈性模量。
銅塊的壓縮彈性模量約為130GPa，即1.3×1011Pa，鋼纖維的彈性模量在36GPa左右；而層厚僅為50-70μm的撞擊前沿竟有著高達(dá)70GPa的彈性模量，實(shí)屬罕見。這種級(jí)別的材料硬度當(dāng)然保證了又剛又猛，拳拳到肉[6]。
但我們也都知道至剛易折，過于剛強(qiáng)容易造成內(nèi)傷，往往不可持久。螳螂槍在猛烈沖擊敵人的同時(shí)，自己也會(huì)承受反向沖擊力，那么它們是怎樣做到不被反作用力反噬的呢？
原因就在于撞擊前沿的后方安置了層次分明的緩沖區(qū)。這些緩沖區(qū)就是護(hù)槍寶甲。
研究人員借助多種表征方法，發(fā)現(xiàn)緩沖區(qū)的材料結(jié)構(gòu)與撞擊區(qū)的相差懸殊，撞擊區(qū)以磷灰石礦質(zhì)為主體，硬而脆；緩沖區(qū)則是無機(jī)礦質(zhì)與有機(jī)高分子的結(jié)合體，其中無機(jī)質(zhì)以非晶磷酸鈣和碳酸氫鈣為主，高分子則是甲殼質(zhì)，英文名chitin，又彈又柔，分散于無機(jī)質(zhì)中，負(fù)責(zé)吸收沖擊能，發(fā)揮緩震作用[6]。

圖11. 過渡區(qū)的材料結(jié)構(gòu)仍以礦物質(zhì)為主，但成分較撞擊前沿有所變化，彈性模量下降至35 GPa。兩個(gè)緩沖區(qū)的彈性模量則僅有5GPa和10GPa。[6]

圖12. 緩沖區(qū)的甲殼質(zhì)們組成了一種獨(dú)特、優(yōu)雅又實(shí)用的螺旋結(jié)構(gòu)。[6]
打個(gè)不算恰當(dāng)?shù)谋确?，礦物質(zhì)就像一大箱玻璃瓶，箱子要是掉地上，玻璃保不齊會(huì)碎掉，但如果你往箱子里到處都塞上海綿，也就是甲殼質(zhì)，這箱玻璃就不容易被碰壞了。
借助甲殼質(zhì)的螺旋軟甲，螳螂槍得以剛?cè)岵?jì)，擁有出色的耐損性，可承受數(shù)千次高能沖擊，最后在螳螂蝦周期性蛻皮時(shí)被翻新[14]。
孔雀螳螂蝦的寶甲也給防彈領(lǐng)域帶去了靈感。
美國的研究人員模仿這種天然材料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種由碳纖維層組成的超強(qiáng)復(fù)合材料。測試結(jié)果顯示，新材料相比航空航天工業(yè)的常用材料，可吸收的沖擊能量高了15-20%[15]。此外，他們還3D打印了一種借鑒螳螂槍的材料結(jié)構(gòu)[16]。
仿生材料學(xué)家戴維·基賽盧斯（David Kisailus）是這一研究的通訊作者。他長期致力于觀察和臨摹孔雀螳螂蝦，并得到美國國防部巨額撥款資助。“我們對(duì)螳螂蝦的掠食前肢研究越發(fā)豐富深入，也越發(fā)意識(shí)到它的結(jié)構(gòu)可以改善我們每天使用的許多東西，例如更堅(jiān)固的防彈衣、橄欖球頭盔、飛機(jī)和汽車?！?br>

參考文獻(xiàn)

[1]?https://aquariumbreeder.com/dwarf-shrimp-external-anatomy/#open

[2]?https://www.thoughtco.com/mantis-shrimp-facts-4582442

[3]?https://oceana.org/marine-life/peacock-mantis-shrimp/

[4]?https://scholarblogs.emory.edu/artsbrain/2020/03/05/vision-in-mantis-shrimp/

[5]?https://www.nationalgeographic.com/science/article/the-mantis-shrimp-sees-like-a-satellite

[6]?https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.1245824

[7]?https://www.nature.com/articles/428819a

[8]?https://youtu.be/ti2Uoc1RXuQ

[9]?https://journals.biologists.com/jeb/article/208/19/3655/15838/Extreme-impact-and-cavitation-forces-of-a

[10]?https://ourmarinespecies.com/c-lobsters/mantis-shrimps/

[11]?https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302119

[12]?https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/3.8027

[13]?https://kids.nationalgeographic.com/animals/invertebrates/facts/peacockmantisshrimp

[14]?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jmor.1051460104

[15]?https://phys.org/news/2014-04-mantis-shrimp-stronger-airplanes.html

[16]?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600786