本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
在自然歷史菲爾德博物館黑暗的地下室裡，我的研究生瑪格麗特·馬瑟恩小心翼翼地舉起了大象的尾巴。大象的皮像一塊僵硬的灰色地毯，被摺疊了好幾次，皺巴巴地堆在房間中央。尾巴從堆的角落裡露了出來。它有 4.3 英尺長，在去骨和乾燥之前，重達 25 磅。尾巴的末端是扁平的，和瑪格麗特的手一樣大。數百根粗黑的毛髮從兩側呈放射狀散開。她摸了一下，畏縮了一下。它們又尖又硬。這條尾巴看起來像一件古代武器。它是用來做什麼的呢？
在過去的幾個月裡，瑪格麗特和我一直在尋找解開大象尾巴之謎的答案。從大象到長頸鹿再到斑馬，大型哺乳動物的尾巴有什麼用途？這些尾巴看起來很相似——它們都很長、很細，末端都長著黑色的毛髮，而且它們總是來回擺動。生物學家普遍認為，擺動是為了驅趕蒼蠅，但尾巴究竟是如何做到這一點的呢？為了解決這個問題，我求助於瑪格麗特，她是我們部門唯一一位也是哺乳動物尾巴專家的機械工程師。
在成為工程師之前，瑪格麗特是一名馬術師。她會在路易斯安那州炎熱的夏天裡跳過柵欄，在開闊的田野裡飛馳，把學校和責任拋在腦後。騎了一天馬後，她會把她的馬“甜餡餅”帶到馬廄裡降溫和清理。這意味著站在它旁邊，一隻一隻地抬起它的腿，託著它的蹄子，同時清除泥土和嵌入的小石子。當她處理“甜餡餅”的前蹄時，它會嘶鳴並用鼻子蹭她的手，尋找她總是給它準備的零食——蘋果、胡蘿蔔和餐館裡的薄荷糖。但當她在它的後方時，“甜餡餅”變得緊張起來，開始像鞭子一樣甩動尾巴。它經常打到瑪格麗特的臉。那時她學會了尊重馬的尾巴。
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除了給瑪格麗特一個教訓之外，馬的尾巴還有其他重要的職責。在盛夏最熱的時候，空氣像裹屍布一樣沉悶，叮咬的昆蟲無處不在。每個馬主人都備有一罐驅蠅噴霧劑，因為沒有它，馬就會非常痛苦。它的耳朵抽動，它的頭搖晃，它的鬃毛瘋狂地跳動。它咬自己的側腹，跺著腳。但沒有什麼比馬的尾巴更瘋狂地移動了。它嗖嗖地擺動，它搖曳，它拍打，它抽打。
尾巴發揮著重要的作用。僅僅一天，一匹馬就可能因蚊子等叮咬昆蟲而損失一杯血。蚊子不僅吸血，還會傳播疾病。瘧疾、寨卡病毒、登革熱只是其中的幾種。即使只驅趕一小部分蚊子，也可能對馬的健康產生重大影響。這場對抗昆蟲的戰爭並非僅由馬匹獨自進行。每種大型哺乳動物，從斑馬到長頸鹿再到大象，都會吸引成群的昆蟲。動物越大，昆蟲雲就越大。
雖然大象和馬看起來可能不同，但它們都有擺動的尾巴。它們是否都只是在驅趕蚊子呢？
為了回答這個問題，瑪格麗特拍攝了她在當地公園和亞特蘭大動物園看到的每種哺乳動物尾巴的影片。幸運的是，動物園裡的動物喜歡把屁股對著人群，所以她毫不費力地獲得了足夠的資料。很快她就有了 12 種動物，從長頸鹿到大象再到斑馬。雖然動物屁股的影片對大多數人來說可能顯得平淡無奇，但我迫不及待地想看到她的錄影。
這就是我熱愛機械工程師這個職業的部分原因。即使是馬的尾巴也會喊出秘密，而工程學為我們提供了理解它們的語言。
當瑪格麗特和我看著尾巴時，我們看到了一個擺，就像落地鍾裡的擺一樣。事實上，自伽利略在 17 世紀研究擺以來，擺一直被用於計時。伽利略著迷的是擺的規律性。從枝形吊燈到馬尾巴，每個擺的擺動頻率都只取決於擺的長度，這種頻率稱為擺的固有頻率。正是這種固有頻率使擺成為極其可靠的計時來源。也正是這種固有頻率，這種共振運動，使得落地鍾只需消耗很少的能量就能運轉。一次上弦可以使鍾執行數天。由於動物幾乎在所有清醒的時間都在擺動尾巴，我預計它們會希望以其固有頻率擺動尾巴以節省能量。
問題是，馬和大象的尾巴都以每秒一次的速度擺動。這些速率比根據其尾巴長度預測的固有頻率快三倍。事實證明，固有頻率在自然界中並沒有真正發生——至少在馬的尾巴中沒有！
我感到震驚。透過以比其固有頻率快三倍的速度擺動尾巴，“甜餡餅”需要消耗 27 倍於必要的能量。為什麼他和所有其他動物都想消耗這麼多能量呢？
也許這與馬尾巴可以驅趕蒼蠅的古老傳說有關。但這種說法已經流傳多年了。如果我們想證明事實確實如此，我們就必須令人信服。
瑪格麗特買了一條真馬尾巴製成的鞭子。當她說她要用它來做研究時，她引起了一些人的注意。然後她從疾病控制中心借了 100 只蚊子。她在我的實驗室裡放出了蚊子，整整一個下午，她試圖用鞭子擊打蚊子。她發現這是一項不可能完成的任務，但原因非常有趣。蚊子非常輕。一隻蚊子重兩毫克，或相當於四分之一根雞毛。因此，每次鞭子靠近時，蚊子都會被吹走。
根據她的結果，瑪格麗特決定製造一個尾巴模擬器，一種可以測量移動的尾巴如何驅趕蚊子的裝置。它看起來像一個大的空心罐子，上面固定著攝像頭。一個電動塑膠尾巴在罐子的蓋子下面旋轉。蚊子被釋放到容器中，在那裡它們飛來飛去。它們很難落在彎曲的牆壁上，並且有一種自然地飛向罐子頂部的趨勢。透過以不同的速度旋轉尾巴，她可以看到哪種運動最能驅趕蚊子。
當尾巴靜止時，蚊子很容易飛過它並落在天花板上。但是，當尾巴以馬尾巴的頻率移動時，蚊子的行為完全不同。當它們飛向尾巴時，當它們靠近尾巴幾釐米時，它們突然掉頭。雖然尾巴產生的氣流對我們來說可能微不足道，但對蚊子來說卻是一件大事。產生的空氣速度足以驅趕罐中多達 50% 的蚊子。
那麼，為什麼動物要如此快速地擺動尾巴呢？這是因為它們必須產生堪比蚊子飛行速度的風。大約是每秒一米或每小時兩英里。
我們希望這項研究可能對馬的治療產生影響。許多飼養挽馬的人參與了殘酷的斷尾做法，即切斷馬的尾椎骨，主要是為了美觀。我們的工作表明，馬的尾巴不僅僅是一種裝飾品。它是它們抵禦叮咬昆蟲的主要防線。