壁虎“飞檐走壁”的化学秘密

若要论攀爬场面的火爆、紧张和刺激，当推《碟中谍4》中阿汤哥饰演的 尹森爬迪拜塔 的一幕，他紧贴在世界最高建筑的玻璃外墙上，突然手套没电随风而去，在肾上腺素骤然上升的高空中，观众看到单手悬挂的阿汤哥，着实捏了一把汗，生怕他会因另一只手套没电而掉下去。这让小编幻想他若是拥有动物界“攀爬大师”壁虎的“特异”功能，应该会轻松很多。

说到壁虎，它可是“飞檐走壁”的高手，从自然界的树叶、树干、石头到人工制造的玻璃、铝制品都阻挡不了这位“大师”行走如飞的步伐。 那壁虎“特异”功能背后的真相究竟是什么呢？ 最近， 美国阿克伦大学Ali Dhinojwala团队 在Science Advance上发文解开了其中的奥秘。

▲ 壁虎攀爬玻璃   图片来源：网络

壁虎具有粘性的脚趾 （图 1） ，这些 脚趾表面由数百万个微小的毛发状结构组成，称为 刚毛（setae） ，它们在趾尖 进一步分裂为200nm宽和5nm厚的铲状 微细纤毛（spatulae） 。 微细纤毛与接触面之间产生的粘附力能够超过壁虎重量的许多倍。

以往研究认为， 壁虎是靠脚趾刚毛与接触面产生的范德华力（vdW）攀爬的，刚毛接触面由两亲性（含亲水的头部和疏水的尾巴）分子疏水的烃链尾巴组成 ^[1] 。

但是这一推论无法解释壁虎在羟基化玻璃、氧化铝表面以及潮湿环境中“健步如飞”的现象， 为了揭开层层迷雾，Ali Dhinojwala等设计实验对壁虎刚毛与特定材料的黏附接触面进行了探索。

▲ 图 1. 壁虎的脚趾    图片来源：网络

▲ 图 2. 探索蓝宝石刚毛接触表面的实验示意图

图片来源：Sci. Adv. [2]

有趣的是，壁虎在玻璃和氧化铝等羟基化表面的强附着力并没有对脚趾刚毛造成损害。那么，壁虎是如何规避这种损害的，是否与表面留下的这一层足迹有关？Ali Dhinojwala等对壁虎刚毛进行了 化学脱脂（delipidized）处理， 分别对脱脂（delipidized）刚毛和未脱脂（pristine）刚毛进行了SFG检测， 结果发现， 脱脂刚毛与羟基化蓝宝石接触时，大多数蓝宝石羟基仅接触到空气，与脱脂刚毛接触面积远不及未脱脂刚毛。但是，他们在剪切力（shear forces）的测量中发现脱脂刚毛接触面承受的剪切力（shear forces）比未脱脂刚毛大很多 (图 3) 。 这说明了覆盖于壁虎刚毛表面的 这层脱脂分子能够保护脚趾的同时也增强攀爬效果，利用脂质作为牺牲层而达到轻松飞檐走壁的效果， 果然是聪明。

▲ 图 3. 未脱脂刚毛、脱脂刚毛的SFG图谱和黏附结果

图片来源：Sci. Adv. [2]

他们继续对壁虎 刚毛脂质层进行研究 ，发现壁虎刚毛上有一层与哺乳动物角质层脂膜类似的紧密结合单层脂质，这个结合脂的单分子层极性头部暴露在外表面，非极性尾部与刚毛内表面结合。这层脂质协调了松散结合的多层脂质，且松散结合的脂质层也是极性头部在外表面 （图 5） 。 壁虎在爬行时，像刷油漆一样让 松散脂质层以足迹方式扩散到比实际接触面积大得多的区域，这样壁虎有充分的时间来缓冲粘附力从而更好保护脚趾， 这样就轻轻松松地解决了强大粘附力带来伤害的问题了。

▲ 图 5. 推测的刚毛表面脂质层分布

图片来源：Sci. Adv. [2]

这样，小编认为将来可以更加细致地参考这些原理设计“飞檐走壁”材料，解决蜘蛛人高空作业时存在的安全隐患问题。