家里墙壁上的小飞虫阴魂不散，生存原理竟和流体力学有关

家里卫生间墙上有时候会有一些小飞虫，相信大家对下面这个图并不陌生。


图1 明明关紧了门窗，却还是会发现这种小飞虫（图片来源：pinterest）
这种小飞虫是蛾蚋科的，具体来说，要么是白斑蛾蚋，要么是星斑蛾蚋。
你会发现，它们一般都出现在潮湿的地方，而且很不容易被打死。看见它们的时候，停在墙上半天也一动不动，刚想过去给一巴掌，就马上跳到另一边墙上，十分讨厌。


图2 蛾蚋成虫（图片来源：Lyle J. Buss, UF/IFAS）
不仅如此，它身上还携带着一堆病原体。有科学家捉了一些蛾蚋，对它们进行检测，发现存在大肠杆菌和沙门氏菌。很明显，蛾蚋与蚊子、苍蝇一样，对人类来说是害虫。
令人烦恼的是，只要关好门窗，蚊子和苍蝇基本上就不会再飞进来了，但蛾蚋不一样，你的门窗关得再严都没用，因为它们是从下水道飞上来的。


图3 如果不信的话，你可以在下水道上方贴上胶带，过一天再取下来，很可能会发现上面粘有蛾蚋。（图片来源：参考文献[2]）
为什么蛾蚋喜欢待在下水道里？
因为在洗碗的时候，各种细小的厨余垃圾会被冲进下水道，这个过程中难免会有一些残羹剩饭和一些有机物留在管壁，形成黏糊糊的“营养薄膜”（biofilm），这就成了蛾蚋幼虫最好的食物。
而且蛾蚋的卵需要附着在湿润的表面上，下水道管壁的表面就成了最容易滋生蛾蚋的地方。通常来说，蛾蚋一次会产下15~40个卵，多的也会有上百个。
蛾蚋的卵是半透明的，而且很小，长度一般不会超过1毫米。


图4 蛾蚋的生长周期（图片来源：Semantic Scholar）
那问题来了，我们冲水的时候，为什么不会把这些小飞虫冲下去？
一位科学家（Nathan B. Speirs）对这一现象很好奇，于是进行了一些研究。但说出来你可能不信，他的研究方向并不是昆虫学，而是流体力学。
为了更好地了解蛾蚋的体表和毛发结构，在拿到实验样本之后，他做的第一件事就是用电子显微镜检查蛾蚋的形态特征。





图5 在一次次放大电子显微镜镜头倍数后，蛾蚋翅膀的细节越来越清晰。（图片来源：参考文献[3]）
通过一次次放大电子显微镜的镜头倍数，我们可以清晰看到，蛾蚋翅膀上布满了密密麻麻的倒钩，每根倒钩的间隔在4.28微米左右。在翅膀的边缘处也有细细的绒毛，每根绒毛放大后还有倒刺的结构。


图6 翅膀边缘的绒毛和绒毛上的倒刺（图片来源：参考文献3）
在它们的腿毛上也可以发现同样的倒刺结构：





图7 蛾蚋腿毛上的倒刺结构，清晰可见（图片来源：参考文献3）
遍布蛾蚋身体的密密麻麻的倒刺有什么用呢？
可以肯定的是，倒刺不是用来防御潜在的捕食者的，因为微米级的倒刺根本伤害不到谁。
倒刺实际的作用在于让蛾蚋体表产生超疏水性。疏水性和亲水性相反，“亲水”简单理解就是和水有亲和力，相互吸引，“疏水”是指和水相互排斥。
荷叶出淤泥而不染的特性就是与荷叶上的疏水结构有关，这些疏水结构具体来说，就是荷叶表面上大量的微米级蜡状微乳状液结构。


图8 荷叶表面微米级蜡状微乳状液结构（图片来源：Barthlott）


图9 每个乳突上分布着大量的纳米级细支化结构（图片来源：Barthlott）
另外，荷叶上还有很多的蜡状细微管子：


图10 荷叶上的蜡状微管（图片来源：Barthlott）
正是荷叶上这些密密麻麻的微突结构，让水滴在接触到荷叶的一瞬间，几乎呈球形，可以在各个方向上滚动，带走荷叶表面的灰尘，却不留下任何痕迹。


图11 普通表面（左）和疏水表面（中、右）的区别。水滴接触到表面后有大于90度的倾斜角被称为疏水结构，大于150度则被称为超疏水结构 （图片来源：Wikipedia）
蛾蚋身上的那些微米级倒刺也是一样的道理，不过光是有微突结构还不够，材料也得跟上才行。
疏水的材料表面有一个共性，就是低表面能。
如果一种材料的表面能很高，意味着它表面有较强的化学键，因此更容易吸引液体润湿表面，低表面能则不容易润湿表面，这就是低表面能材料疏水的原理。


图12 图分别为非润湿（接触角为180°），润湿（接触角
蛾蚋体表细毛的成分主要是甲壳素，这种物质有低表面能，因此有很强的的疏水性，只溶于特定溶剂。
经过计算，蛾蚋体表的疏水结构在碰到水后可以产生175°的接触角，这不仅是疏水结构，还是超疏水结构。
为了验证这点，科学家做了两个小实验：


图13 将一滴水放到蛾蚋身上后的情况（图片来源：参考文献[3]）
首先是将一滴水放到蛾蚋身上，可以看到产生了175°的接触角，水不会沾在它身上，只会变成水滴滚落。
虽然蛾蚋体表疏水，但不疏油。前面说了甲壳素溶于特定溶剂，所以第二个小实验是将一滴硅油放在蛾蚋身上，它会马上浸润蛾蚋的身体。


图14 将一滴硅油放在蛾蚋身上后的情况（图片来源：参考文献[3]）


图15 通过电镜，可以更清楚地观察水滴和蛾蚋身上绒毛的相互作用。（图片来源：参考文献[3]）
这就是蛾蚋不怕水的原因，因为它的体表是超疏水结构。
蛾蚋在面对水的时候是不是完全无敌呢？
也不是完全无敌。
科学家用3种形态的水来冲击蛾蚋。
第一种是水珠。如果用水珠连续滴蛾蚋的话，它们几乎都可以保持身体干燥，并且从水滴撞击的危险处境下逃开。


图16 当蛾蚋遇到水滴时，不会有太大的压力。（图片来源：参考文献[3]）
第二种是水雾。水雾是由许多直径小于4.5微米的水滴组成的，当这些极小的水滴接触到蛾蚋体表时，对它们几乎没有太多影响，它们拍拍翅膀振开水滴就飞走了。


图17 水雾对蛾蚋几乎没有影响。（图片来源：参考文献[3]）
第三种是水流。当水流冲击蛾蚋时，在一瞬间会将其淹没，但它们很快就会浮到水面上逃走。但如果水流冲击的时间足够长，让它们长时间浸泡在水里达到5个小时以上，就有可能把它们淹死。实验中科学家用5个小时的水流冲蛾蚋，结果4只中有2只被淹死了。


图18 虽然一瞬间被水流打到水面以下，但蛾蚋很快就浮到水面飞走了。（图片来源：参考文献[3]）
由此可见，蛾蚋在面对各种形态的水体威胁时，都具有很强的适应性。现实中，开水龙头冲水几个小时不太现实，这也是下水道管壁上的蛾蚋不会被冲走的原因。
怎么做才能根除这些小飞虫呢？
如果想要根除这些讨厌的小飞虫，就得除掉它们的营养来源，也就是下水道管壁上的“营养薄膜”。对此，最简单的办法是：先用刷子刮掉，然后用刚煮开的沸水冲洗（每天倒入下水道1~2次，持续1周）。





图19 消除小飞虫的操作示意（图片来源：Treehugger）
最重要的是，一定要记得经常清洁下水道，不要偷懒！
出品：科普中国
作者：苏澄宇
监制：中国科普博览
参考文献：
[1] https://wiki.nus.edu.sg/display/TAX/Clogmia+albipunctata+-+Bathroom+fly
[2] Griffith T, Gillett-Kaufman J. Drain Fly Psychoda spp.(Insecta: Diptera: Psychodidae): EENY716/IN1226, 10/2018[J]. EDIS, 2018, 2018(6)
[3] Speirs N B, Mahadik G A, Thoroddsen S T. How drain flies manage to almost never get washed away[J]. Scientific Reports, 2020,10(1):17829.


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