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一隻小小的跳蚤可以在一次跳躍中以每秒 1.9 米的速度推進其 1.8 毫米長的身體。 這些強大的小蟲是怎麼做到的呢？
跳蚤跳躍的生物力學一直是昆蟲學領域的一個小爭議。 跳躍的核心力量來自動物胸部的一個線圈，但幾十年來，關於儲存的能量如何傳遞到地面，出現了兩種相互競爭的理論：要麼是彈簧的反衝力將能量傳遞到跳蚤的膝蓋，膝蓋將動物直接推離地面；要麼是能量透過類似槓桿的腿部結構進一步向下傳遞到脛骨，最後到達腳趾，腳趾提供起跳點。
“我們一直對這場辯論感到非常困惑，”劍橋大學動物學系的博士後研究員格雷戈裡·薩頓在一份準備好的宣告中說。 雙方的資料“彼此一致，但我們不明白為什麼這場辯論還沒有得到解決。”
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薩頓和實驗室負責人馬爾科姆·伯羅斯此前曾花費更多時間研究蝗蟲，他們將高速攝像機對準了一小群刺蝟跳蚤 (Archaeopsyllus erinacei)，試圖一勞永逸地解決這場辯論。
然而，事實證明，這項任務比簡單地放慢影片速度更具挑戰性。 首先，這些重達 0.7 毫克的小型研究物件必須被說服跳躍——薩頓和伯羅斯指出，可以透過“用畫筆輕輕觸碰”或當它們的環境從黑暗過渡到光明時來做到這一點。 最終成功地將相機對準這些煩躁不安的昆蟲後，研究人員捕捉到了 10 只不同跳蚤的 51 次跳躍。
但並非所有跳蚤都以相同的方式從地面起跳。 在大多數情況下，跳蚤的膝蓋最初在地面上，但在起飛前約 0.6 毫秒時離開地面，此時尚未達到身體加速的峰值。 在 12% 的跳躍中，跳蚤的膝蓋根本沒有接觸地面，這表明腳趾是主要的力量來源。
掃描電子顯微鏡顯示，膝蓋表面是光滑的——這與覆蓋著棘刺、易於抓握的腳趾和脛骨形成對比。 這些小的摩擦點為更好的起跳提供了條件。
然而，動力學建模似乎最終將腳趾推力理論推向了堅實的基礎。 這些計算機模擬表明，兩種跳躍策略都會產生 1.35 米/秒的正確初始速度。 但只有僅使用腳趾的設計才能達到接近跳蚤影片中看到的 1,500 米/秒² 的最大加速度。 薩頓和伯羅斯指出，在沫蟬昆蟲中也可以找到類似的跳躍機制。
新的評估還突顯了跳蚤明顯不適合馬戲團表演的有限跳躍能力。 它們似乎只通過改變起跳速度（而不是改變起跳高度）來改變跳躍距離，這使得它們的軌跡相對可預測。 這種受限的能力“令人費解，因為它們似乎最符合自身利益的做法是以各種不可預測的方向跳躍”，因為跳蚤依靠其大幅跳躍來躲避捕食者並跳到自己的獵物身上，研究人員在論文中指出。 “具有諷刺意味的是，像跳蚤這樣著名的跳躍者竟然具有如此受限的跳躍能力。”
《實驗生物學雜誌》於 2 月 10 日發表了這項研究結果。