观天下！小昆虫也有大智慧！看沙漠甲虫如何从空气中取水

2023-03-31 15:24:57 来源：科普中国

水，是地球的生命之源。即便是在科技如此发达的现代社会，人类依旧面临着严峻的淡水危机。2022年的发布的《联合国世界水发展报告》指出，全球约2/5的人口缺少生活用水，近40亿人在一年中至少有一个月面临严重缺水，21亿人被迫饮用污染水。

小小的水分子，却维系着整个大自然的生存。尤其是在地球上干旱最为严重的沙漠地带，如何高效率地利用仅有的淡水资源尤为关键。而在纳米布沙漠里活跃了千万年的小甲虫，在大自然“物竞天择，适者生存”层层筛选下，进化出了高效率、低能耗的特殊的汲水能力，而这种能力成功帮助他们适应了沙漠中极度缺水的环境，让这一物种得以代代延续。

位于非洲的納米布沙漠占地面积达50,000平方公里，是世界上最古老的沙漠之一，干旱和半干旱的气候已持续了最少8千万年，其最高溫度可達60℃以上，每年的降雨量不到10毫米，几乎成为了生命的禁区。但是大自然就是这么奇妙，在这样一片寸草不生的沙漠中，竟然还有生命存在。纳米布沙漠甲虫是生命适应地球自然环境的奇妙代表。

(资料图)

纳米布沙漠甲虫属于有翅亚纲，鞘翅目，一般为黑色或暗褐色。它们身体长约2厘米，扁平而坚硬，它们的头很小，背上有坚硬的翅膀，叫做鞘翅。鞘翅很大，可以将整个身体的后部盖住。而它适应极端干旱环境的秘诀，就藏在它背上这大大的鞘翅里。

通过显微镜可以清楚地看到，鞘翅表面布满了密密麻麻的凸起（图片），这些“麻点”呈近距离任意分布，每一个“麻点”的平均直径为0.5毫米，高约有几百微米，“麻点”之间的平均距离为0.5到1.5毫米。每个“麻点”就像一座山峰，“麻点”与“麻点”之间的就像山谷。山峰与山谷在显微镜下的微观结构是不同的，也表现出对液体不同的性质。

通过特殊的染色手段，科学家发现在山谷区域覆盖着一层蜡状外衣，在显微镜下观察，它的微观结构是由扁平半球规则排列形成的，半球直径约为10毫米。这种结构类似于荷叶表面，表现出疏水性，即对水排斥的物理性质。

那什么叫做“疏水性”呢？这里就需要首先了解一下表面张力的概念了。表面张力主要是因为表面两侧分子间作用力不同引起的，通俗来讲，就是液体表面分子组成了一层薄膜，由于表面张力的作用，这层薄膜会产生绷紧的趋势，这种趋势会使薄膜的表面积尽可能地减小，所以我们才会观察到露珠的形状更接近于圆形，这是因为在质量一定的前提下球形的表面积最小。当液滴在接触面的形态越接近于球形，则说明接触面的“疏水性”越强，反之则说明其“亲水性”越强。

回到沙漠甲虫的鞘翅表面，由于山谷区域覆盖着疏水性强的蜡状外衣，让水滴难以在表面停留，而在山峰区域却没有覆盖这种物质，表面光滑，呈现出与山谷截然相反的亲水性，容易被水润湿。正是由于同时存在着“疏水”和“亲水”两种截然不同的结构，让它练就了在茫茫沙漠里“凭空取水”的绝技。

当然，天时地利的因素也是关键，在这里不得不提到纳米布沙漠独特的地理特征，由于昼夜温差大，气压变化频繁，海中的湿热浪掠过本格拉寒流冲向沙漠时，湿热空气遇冷凝成雾，造成了纳米布沙漠成为世界上雾最多的沙漠。（而沙漠甲虫就是充分利用这个机会，每当清晨雾气最浓的时候，它们就会在雾中头朝下，背对着风，用亲水性山峰从雾气中吸附水分，漸漸形成水滴。積累到了一定程度，水滴就會毫不費力地沿著疏水性山谷滑动，流向甲虫的嘴巴。科学家通过观测发现，如果气温、湿度以及甲虫的体温都特别合适的话，甲虫在一个早晨就能喝到相当于它们体重40%的水。

过去，在沙漠和其他干旱地区，从空气里收集水的系统由于需要运转冷凝设备而耗电巨大，在纳米布沙漠甲虫的启发下，科学家研制出一种纳米材料涂层，并应用于沙漠集水器设备中，使得人们可以从雾或露水中吸收水份来饮用而无需再借助冷凝设备。

这种特殊的涂层材料表面就类似沙漠甲虫的鞘翅，科学家通过将聚四氟乙烯纳米粒子沉积在超疏水铜网上模仿沙漠甲虫鞘翅表面的麻点纹理，并与亲水铜片结合形成混合表面，雾气中微小的水滴通过亲水表面得以聚集，疏水表面又能够及时让聚集形成的大水滴滑落，从而实现水的收集。

科学家效仿这一特殊功能，开发了一系列汲水装置，如汲水屋顶瓦片，汲水特制帐篷、自動蓄水水壺等。极大地缓解缺水地区的淡水获取问题，作为饮用水生产方式的重要补充，为人类提供更多清洁、可靠的饮用水源。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队名称：中科幻彩

审核：周晓亮

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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