疏水管_水蜘蛛足部跗节特征与疏水原理

水蜘蛛足部跗节特征与疏水原理

1材料与方法 1．1实验一:水黾足部跗节表面分泌物的特性研究了解 水黾跗节表面的物质理化特性。实验材料:水黾、植物油、 酒精、食盐溶液、小苏打溶液(弱碱，0．03g/L)、中性洗涤 剂溶液(40mL/L)其他所需器具如水盆若干个。试验中取用体 型较大(体长1．5～2cm)的成年水黾，其弹跳、滑行等运动 正常。实验试剂:选用浓度较小的稀溶液，将表面张力控制 在72．75×10－3N•m－1左右。乙醇为22．32×10－3N•m －1。实验方法:将水黾分成5个实验组，1个对照组。分别将 水黾置于植物油(或其他油性物质)、酒精、盐水、0．03g/L 小苏打溶液、中性洗涤剂溶液中。观察水黾是否能够在水面 上维持漂浮及其正常运动状况是否受到影响，正常运动状况以弹跳、滑行等水黾的日常基本运动次数及频率作为指标。

1．2实验二:水黾足部跗节分泌物的存在对水黾漂浮的 影响研究探究水黾足部疏水性分泌物的存在对水黾漂浮的 影响。实验材料:水黾、烧杯、玻璃皿、中性洗涤剂、中性 滤纸、镊子。实验方法:将水黾置于玻璃皿上，用镊子固定， 用胶头滴管吸取中性洗涤溶液，连续滴在水黾足部冲洗，然 后用清水冲洗。再将水黾置于垫有滤纸的玻璃皿上吸干多余 溶液，并用小功率电吹风吹干至足部的毛全部竖起时再轻轻 地放入水中，观其察沉浮和活动状况。用清水替代洗涤剂溶 液，对水黾作相同的处理，作为对照。实验数据记录水黾的 沉浮状况和恢复正常运动的时间。

1．3实验三:水黾足部疏水物质分泌腺研究确定水黾足 部疏水物质分泌腺并观察其结构特点。实验材料:水黾足(中、 后足)、溅射仪、电子显微镜。实验方法:从两只成年水黾上 截取中足和后足(共两组，包含整个跗节及胫节)，其中一组 用酒精清洗再用超声波消毒，除去其表面的分泌物及粘跗的 杂质;另一组保持原有状态，并且将两组水黾足都在空气中 干燥。把喷金处理过的两组水黾足放在电子显微镜下观察， 在水黾足部跗节表面寻找是否有类似于分泌口的深色阴影 存在。组织切片:HE染色，在基本确定分泌口位置的情况下， 取用一条水黾足，截取水黾跗节，剪切成3mm小段，把用10% 中性福尔马林固定24h的水黾足部跗节小段石蜡包埋，然后 将组织石蜡块在切片机上经过修切后，切成厚度为15～20μm跗贴在载玻片上、烘干并HE染色。取跗节以上不接触水的 部分做同样处理，作为对照。通过对比观察，寻找分泌疏水 物质的组织。苏丹Ⅲ染色:通过采用苏丹Ⅲ染色液、苏木素 染色液的染色方法，标记结果为脂肪呈橙红或鲜红色，胞核 呈蓝色，其主要应用于冰冻切片染色中，显示脂肪细胞的脂 质沉着，适用于脂类物质形态观察的染色。

2结果与分析 2．1水黾足部跗节表面分泌物的特性研究 实验一经多次实验，得到结果如表1所示。实验证明， 水黾足部的跗节接触油性物质及有机溶液(酒精)后会失去 对水黾肢体的支撑作用，推测足部水黾跗节存在疏水性有机 物，该物质易溶于有机溶剂，在弱碱性溶液中会变性或分解， 在中性洗涤剂中会完全沉入液体中。推测该物质的存在是水 黾能漂浮的重要条件，该物质被溶解、破坏或被油性物质粘 跗会对水黾在水面上的跳跃、滑行等基本正常运动有所影响。

2．2水黾足部跗节分泌物的存在对水黾漂浮的影响 将水黾足反复用洗脱液冲洗，用洗脱液处理过的水黾无 法正常漂浮，其足触水约2s后，被洗脱过的6只足都陷入水 中，无法再形成疏水性的凹陷，身体紧贴在水面上。对照组 均正常漂浮和活动。约17．6min后洗脱处理的水黾能再次浮 在水面上恢复运动。由此说明水黾足部跗节经洗涤剂洗脱后 失去疏水性分泌物，失去对水黾的支撑作用，说明疏水性物 质是水黾漂浮和水面运动不可缺少的，水黾漂浮并非完全依靠其足部物理结构及水面张力。同时，水黾整个身体沉入中 性洗涤剂溶液中，说明水黾身体上可能也跗有疏水油脂;水 黾在失去跗节上油脂后，15～25min后会恢复正常，推测水 黾体表具有能分泌此物质的分泌腺，该腺体能快速分泌，及 时补充体表损失的疏水性物质(表2)。

2．3水黾足部疏水物质分泌腺的观察 通过电镜的观察，水黾足部的细毛和刚毛上只存在密集 而浅淡的沟纹，并没有较深的沟或口(图1)，因此推测分泌 口不在细毛和刚毛上;在水黾跗节和胫节的表皮上都没有找 到深色的阴影，可排除分泌口在表皮的可能性;在水黾跗节 上的细毛根部，有较深较大的阴影，初步推断疏水物质分泌 口在细毛根部。通过用HE染色片的对照观察，发现水黾接触 水的跗节部分，与一般不接触水的部分(跗节以上)存在差异 (图2)。在跗节切片和对照切片的内部骨质结构周围都存在 有一圈细胞核被染成蓝色的细胞结构。在跗节切片中，一侧 的细胞层和骨质层有明显分离，其间存在一种黏稠状油脂， 在对照切片中细胞层紧贴着骨质层。在其他组织结构都相同 的情况下，初步判断骨质周围的细胞层是分泌疏水性油脂的 机理结构，中间所夹得黏稠物即为跗节所分泌的疏水性物质。

水黾足部跗节根部有毛囊结构，在毛囊下都可以观察到有细 管与内腔分泌细胞相连。初步推断，分泌细胞产生油脂物质 通过细管由毛囊排到体表。

3讨论与结论实验结果表明，水黾足部跗节确实存在一种疏水性物质， 该物质有辅助其漂浮的作用，在水黾跳跃、滑行等一系列正 常运动中起到不可缺少的作用。并且这种物质也存在于水黾 的整个体表，一旦失去了这类物质的辅助，水黾将沉入水中， 无法漂浮。有研究者认为，水黾足部跗节上密集排列的细毛 和刚毛的纳米级沟纹是水黾漂浮的主要原因［1］，经过本 课题的研究认为，水黾能在水面上完成漂浮、滑行、跳跃等 基本活动，不应单靠跗节足节的物理构造，足部的物理结构 与其分泌的化学物质应是相辅相承、共同作用来完成水黾足 部跗节的神奇疏水作用的。多次被洗去足部跗节油脂的水黾 一般在15～25min内能恢复正常运动，表明水黾具有快速分 泌脂类的腺体，可以及时补充水黾在水体运动过程中损失的 体表疏水性物质，这也为下一步探索水黾足部是否有类似于 分泌腺的机理结构奠定基础。表面结构电镜实验观察提示， 水黾足部分泌疏水物质的腺体应在水黾足部跗节表面的细 毛根部。对足部跗节进行HE染片对比实验后，发现在脚内部 骨质内侧跗有细胞层，在水黾接触水面的跗节内部，细胞层 和骨质层间会产生黏稠脂质。因此在其他组织结构都相同的 情况下，可判断骨质周围的细胞层是分泌疏水性油脂的结构。

苏丹Ⅲ染色显示呈橙红或鲜红色的“黏稠脂质”，提示骨质 周围的这种细胞是一种脂肪细胞。仿生研究是国际上是十分 活跃的研究前沿［2，3］。希望本研究能为设计漂浮于水面 的微型机器人提供帮助。