Shela Patek 為速度最快的動物測速

如果你想要學習如何扮演龍蝦，我們這裡準備了一些。 這不是在開玩笑的，我們真的準備了。 所以演講結束之後各位可以到台前來，我會示範如何扮演龍蝦。

好的，實際上，我大約從幾年前 開始研究所謂的螳螂蝦，因為他們會製造聲音。 這是我曾經錄製的螳螂蝦的聲音， 就在加州沿海。 雖然這絕對是一種令人徹底驚嘆的聲音， 實際要去研究卻非常困難。 而當我掙扎著想要弄清楚螳螂蝦，或稱蝦蛄， 到底怎麼發出聲音，我開始注意到牠們的附屬枝 螳螂蝦這名字是由螳螂而來 螳螂也有類似這樣可以快速移動捕食的前附屬枝。所以我開始想 邊聽著牠們的聲音，我想著，這可能會非常有趣 要是我可以弄清楚這些動物怎麼產生這樣非常快速的出擊行動。 所以今天我要談論的，就是關於螳螂蝦這樣急速的出擊捕食行為。 這是我和Wyatt Korff和Roy Caldwell一起進行的研究。

好的，螳螂蝦可以分成兩種類型。 穿刺型和粉碎型。 這個是穿刺型的螳螂蝦，或蝦蛄 牠住在沙地裡，捕捉那些從牠頭上經過的動物。 就像是這樣快速的出擊，所以如果我們把這個速度放慢 這是螳螂蝦，同樣的物種 用每秒一千幅的速度錄製 用每秒15幅的慢速播放 你們可以看到，那只是個非常令人嘆為觀止的上臂延伸 爆炸性地向上，然後真的就接住 我為牠準備的蝦子碎片 現在，另外一種螳螂蝦則是粉碎型蝦蛄 這些傢伙靠著拆開螺維生。 所以這個傢伙，把螺擺好，接著給了牠一個重擊。

(聽眾大笑)

我現在把這段影片再播一次 牠把螺扭動到定點，用鼻子推，然後將之粉碎。 幾次重擊之後，螺的殼被打開，他於是享用豐盛晚餐。 所以粉碎型蝦蛄可靠前枝末端穿刺。 或著利用後跟粉碎。 今天我要談論的，主要是關於像這樣粉碎性的攻擊。

所以我當時第一個想到的問題是， 恩，那麼牠的枝節可以移動的多快? 因為在那個影片中，它們移動得可還真快。 接著我立刻遇到一個難題， 柏克萊大學生物系裡頭每一台高速錄影機 都沒有快到可以捕捉這個動作 我們基本上沒辦法錄到這個行為。 這個問題，阻礙了我的研究很長一段時間。 接著某天，有個英國廣播公司的工作人員來訪我們生物系， 找尋適合拍攝「高科技在生物學的應用」這樣主題的故事。 所以我們談了一個合作案， 我說:「如果你們把可以捕捉到這些行為的 高速錄影系統租給我們， 你們可以側錄我們收集資料的過程。」 相不相信?!他們竟然同意了。 所以我們得到了這個非常了不起的錄影系統。是非常新的技術， 大約一年前才上市。 它可以讓你在非常微弱的光線中，以極高的速度來錄影。 微弱的光線經常是錄製動物行為的關鍵問題， 因為如果溫度太高，你會炸了這些動物。

這是螳螂蝦，牠們的眼睛在上面， 這就是掠食的副肢，這是足跟 那就是會來回擺動粉碎螺著東西 這是一個附著在一個棒子上的螺 所以他比較容易架設錄影機，接著，對。

(聽眾笑聲)

我希望這裡沒有推廣「螺權」的激進份子，

(聽眾笑聲)

這是以每秒五千畫幅拍攝的短片 而我是用每秒十五畫幅的速度在播放。所以這大概是333倍慢速。 你們會注意到，牠的動作其實還是驚人的快速。 即使放慢了333倍速。這一就是個非常強而有力的動作。 整個肢體往外延伸；身體向後彎曲， 相當引人入勝的一個動作。 所以我們當時就是研究這些影片， 測量這枝節移動的速度有多快 以回答我們最開始問的問題。 而我們面對了我們的第一個驚喜。 當時我們計算的結果，這些枝節是以 可高達每秒十公尺 至每秒二十三公尺的速度在運動 而對現場那些比較熟悉以時速為單位的聽眾 那換算起來便是以超過每小時七十公里的速度在移動。這是非常非常快的速度。 事實上，這速度快到我們得新增加一個點 在動物急速運動的座標上。 螳螂蝦，正式成為，擁有最快掠食攻擊速度的物種 在任何被量測過的動物系統中。所以，這是我們的第一個驚喜。

(聽眾鼓掌)

剛剛那個發現是出乎意料之外且非常厲害的。 那麼你接著可能會想，恩，那牠們是怎麼辦到的呢? 事實上，這個問題在1960年就被研究過了 是一位非常有名的生物學家Malcolm Burrows 他當時在螳螂蝦上面發現 牠們是使用一種叫做捕捉或點擊的機制。 這基本上包含了使用一塊大肌 花相當長的時間收縮 還要一個插銷防止任何部位移動 所以只有那塊肌肉收縮，除此之外沒有其他事情發生。 當這塊肌肉完全收縮，所有的能量都儲存好 直到這個銷往上飛，這個快速的動作就出現了。 這個基本上稱作能量加成系統。 肌肉花很長的時間收縮， 而枝節花了很短的時間飛出 所以當時我想這大概就是故事的結局。 這就是螳螂蝦如何快速的出擊。

可是，我接著去造訪國家自然史博物館。 如果你們任何一位有機會， 去看看國家自然史博物館的後台 那是全世界保存螳螂蝦標本最完整個地方，然後

(聽眾笑聲)

這對我來說是非常嚴肅的事情。

(聽眾笑聲)

所以，這個就是，我注意到螳螂蝦的每個枝節上 不論是穿刺型或粉碎型， 牠們都有這個非常美麗的馬鞍型構造 在這些枝節最頂端表面上。而你在這裡可以看到。 他看起來就像是那些你會放在馬匹上的馬鞍。 是非常美麗的結構。 這些馬鞍構造，被膜狀區域包圍。這些膜狀區域 讓我推測這可能是一種動力彈性的構造。 這的確讓我搔頭苦思了好一段時間。 然後我們做了一些計算，我們得到的結論是 這些螳螂蝦一定都有彈簧。 牠們一定要有某種類似彈簧構造的機制 以累積我們觀察到那樣強大的能量、 那樣的速度、還有那樣的系統。 所以我們想，好吧，那這個一定就是那個彈簧: 這個馬鞍狀的東西很有可能就是彈簧。 所以我們又把那些高速的影帶找出來， 我們可以確實看到那些鞍部構造收縮延伸。 我把這個片段再放一次。 你們仔細看這個片段: 那有一點難以觀察，我用黃色標起來的區域。 我用黃色把鞍部標記起來。你們確實可以看到 它在出擊的過程中延展，實際上是過度伸展。 所以我們有非常強而有力的證據可以證明 這些馬鞍形狀的構造確實會收縮延伸， 而實際上，正是像彈簧一般作用。

這個鞍型結構也被稱為一個雙曲拋物面， 或是一個鞍型面。 這在工程或建築界裡是非常著名的， 因為這在壓縮的過程中是非常強壯的介面。 它有兩個方向不同的曲線， 一面彎曲向上，相反的那面彎曲向下， 所以不管用那一搖晃 它都能讓能量區暈分散在兩面。 所以在工程師界這是非常著名的，對生物學家來說卻不是。 這個構造對那些製作珠寶的人來說，也是相當熟悉， 因為製造這樣的表面， 只需要用到非常少的原料，但他卻非常強壯。 所以你如果要製作一個薄的黃金結構， 能用有一個夠強壯的形狀是好的。

這對建築師們來說也是非常熟悉的。非常著名的建築師之一 Eduardo Catalano就是以使用這個架構聞名。 這裡顯示的，是他所建築的一個鞍型天花板 單曲面長約26.62公尺 厚度只有6.35公分，就靠那兩點支撐。 他選擇用這樣的結構來設計屋頂的其中一個原因， 便是他驚訝的發現，你竟然可以用這樣少的材料 建造這樣強壯的結構，而且只需要靠幾個點來支撐。 而這些，全部都是利用同樣的原理 像螳螂蝦的鞍型彈簧那樣。 在生物系統裡，如果能不用多餘的原料 去產生一個結構是非常重要的。 所以，這是一個非常有趣的平行對照， 在生物界與工程界之間。而有趣的是， 結果螳螂蝦的鞍部，竟成為 第一個被發現的生物雙曲面彈簧結構 這故事有點長，但有些有趣。

所以下一個和最後一個問題是，那麼螳螂蝦 需要多少的力量才能打開一個螺？ 我因此設立的一個承種傳感器。 承重傳感器，可以用來量測各種承重壓力，而這個實際上 壓電的承重傳感器，裡頭有一個小小的水晶。 當這顆水晶受到擠壓，按照不同推擠壓力的大小， 電器性能便會改變。 所以這些動物都具有非常美好的攻擊性， 而牠們總是處於飢餓狀態。所以我要做的 就只是放一點飼料在這個傳感器的前方， 牠們便會對它發動攻擊。 這只是一個非常平常的短片 只是這蝦子如何瘋狂試圖擊毀傳感器。 我們得以量測一些結果。 然後再一次，又是個驚喜。

我買了一個最高可測到一百磅(約45公斤)的傳感器， 我心裡想，沒有任何這個尺寸的動物，可以製造出高於百磅的能量。 然而你怎麼會想到，牠們立刻就擊出超過傳感器負重的力量。 這些實際上是一些舊的研究數據 我找了一些實驗室裡最小的動物， 卻量出了超越一百磅的能量， 從這麼小的動物身上。 而實際上，就在上個禮拜，我買了最多可以測到300磅(約135公斤)的傳感器 而我用此紀錄到這些蝦子 製造超過200磅的能量。 又一次，我想這應該破了世界紀錄。 我得多讀一些背景研究的資料， 但是我想這應該會是這個尺寸的動物 所被記錄到製造出的最大能量。這是相當驚人的。 所以這又把我們帶回到彈簧的重要性 它在這個系統中儲存且釋放了這麼多能量。 但這並不是故事的結局。

現在的進度是；喔，我把這講得好像很簡單，其實費了很大一段功夫。 我把這些量測到的出擊力量， 和整個系統產出的能量相比。 這部分其實非常簡單，X軸是時間 能量在Y軸。你會看到有兩個高峰。 這就是讓我非常困惑的部分。 第一個尖峰，顯然，是枝節點擊到傳感器的時候。 但是在不到百萬分之一秒間，有另外一個非常顯著的高峰， 而我不知道那是什麼。 所以現在，你會預期第二個高峰，基於其他因素， 但是不是在不到百萬分之一秒之後。 所以我們再次回去看高速影帶， 那裡有個非常好的暗示，告訴我們可能發生了什麼事。 這和我們稍早看到的是同一個方向 這是攻擊用的附枝，這是後跟， 牠正準備要揮拳擊打傳感器。 而在這個鏡頭，我希望你們可以把注意力放在這裡， 傳感器的表面，當蝦子把枝節揮舞過來的時候 我希望你們可以看到的，實際上是個閃光。

聽眾：哇!!

我們接著如果固定在這個畫面，你實際上可以看到 在那個黃色的箭頭尾端有個水氣的泡泡。 而那其實，是個氣穴。 氣穴是一個極端有力的流體動力現象 這個現象發生於一個水域中的水分子 以各種差異極大的速度移動。 當這個現象發生的時候，會讓這個區域產生非常低的壓力， 這個低壓，會讓水蒸發。 當這些水氣的泡泡破掉的時候，它會發出聲音、光、和熱， 這是一個非常具有破壞性的過程。 所以，這是那隻螳螂蝦。然後再一次，我們又回到同樣的情況 工程師們對於這個現象非常熟悉， 因為氣穴現象會破壞船隻的螺旋推進器。 人們花了很多年努力嘗試和設計 一個可以快速轉動卻不會造成氣穴現象的螺旋槳 一點都不誇張，氣穴會磨損金屬，在上面打出洞來， 就像這些照片裡面顯示的。

這是一個非常強而有力的流體系統， 我將向你們展式螳螂蝦接近螺的片段。 這是以每秒鐘兩萬片幅的速度拍攝，我得特別謝謝 英國皇家廣播公司的攝影師，Tim Green，架設拍攝這段影片， 因為要是自己來，我一輩子都不可能完成這個影片的拍攝。 這是其中一個和專業攝影師工作的好處。 你可以看到有什麼正要發生，是一股令人驚嘆的閃光， 這些氣穴遍布螺殼的表面。 所以，說真的，這純粹就是一個不可思議的畫面， 我們把速度放慢，放得極慢。 然後，我們可以從這裡看到一些不一樣的東西， 這些水氣怎樣在兩個表殼上生成和瓦解。 事實上，你可能已經看過這些氣穴從枝節的邊緣上升。

所以，解答這個兩個出力高峰的問題: 我認為，第一個高峰，實際上 是枝節擊中傳感器上的時候，而第二個高峰，則是 那些氣穴的水泡瓦解的時候。 而這些動物們，很有可能 不單只是利用這個特製彈簧夾所儲存的能量， 而更進一步的利用了極端的流體動力。而牠們實際上 有可能正是利用這些流體動力為牠們的第二進能量去擊毀螺殼。 換句話說，是從這些動物們發出，非常令人驚嘆的雙重攻擊，

有一個演講後，我經常被問到的問題， 我想不如現在一起回答，這個問題是，那螳螂蝦自己呢? 因為很明顯的，如果氣穴現象可以打破螺殼， 那些可憐的枝節想必也被支解了。而沒錯，正是如此。 這兩張照片中，都是後跟用來粉碎的部分， 它們會被磨損。實際上，我就看過它們被磨損 一路甚至可以看到肉。 但是身為螳螂蝦，有一件非常方便的事情就是 牠們必須要蛻皮換殼。大概每三個月一次 這些蝦蛄會開始蛻殼，長出新的枝節，所以沒有問題。 對解決這個特定問題來說，是一個非常，非常方便的方案。

所以，我想要為我的演講，下一個有點怪的結論。

(聽眾笑聲)

或者整個演講對你們來說都很古怪，我不知道。

(聽眾笑聲)

所以，鞍部，這些鞍狀的彈簧 實際上在生物學界已廣為人知， 不是以彈簧這個功用，而是視覺訊號。 在很多不同種螳螂蝦的鞍部中央 都有一個顏色引人入勝的彩色斑點。 要找到這個班點，實際上是個彈簧，的演化源頭， 是還滿有趣的一件事。 而我想其中一個解釋的可能 我們得回到瞎子蛻皮的現象。

當這些蝦子經歷蛻皮的階段 牠們沒有辦法發動攻擊，牠們的身體變得非常柔軟。 牠們真的沒辦法攻擊，不然牠們會傷害到自己。 這是很嚴重的事。所以牠們解決的辦法，便是一直到 牠們沒辦法攻擊的期間，牠們會變得非常討厭和糟糕， 牠們會攻擊視野所見所有東西，不管是誰或是什麼東西。 而當牠們進入沒辦法攻擊的瞬間， 牠們就發出訊號。牠們揮舞枝節。 這是動物們吹牛的一個非常經典的行為。 這在這個物種中已經是個建立的事實， 牠們真的會吹牛。牠們不能攻擊，可是牠們會假裝可以。 所以我非常好奇那些鞍座中 的彩色斑點，是不是在傳遞某種訊息 關於牠們發動突襲的能力，或強度， 還有部份關於牠們在哪個蛻皮階段的資訊。 所以，在牠們彈簧鞍部的中間 發現這樣一個視覺結構，還滿奇怪但有趣的。

最後，我想要向我的兩個合作夥伴致謝， Wyatt Korff和Roy Caldwell兩位和我共同完成這個研究。 另外我也要感謝Miller Institute對基礎科學研究的資助， 它們贊助了我整整三年的研究基金，讓我專心做研究， 為此，我心存感激。謝謝大家。

(聽眾鼓掌)