王老师
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壁虎为什么能在墙壁上爬行?
——壁虎的形态结构功能的研究
北京一六一中学 夏 鹏
指导老师 刘永生
夏天傍晚,人们在路灯下常会看见一只只壁虎在竖直的墙壁上飞快爬行,却不会落下来.另外,我还观察到,壁虎也能在竖直光滑的玻璃表面爬行.我们想了解为什么壁虎不会掉下来的原因,因此,我查阅有关资料,小学自然课本中这样写到：“壁虎在墙壁上爬行时,它的脚指(趾)粗大,指(趾)下的皮肤形成了很多横褶,能够起吸盘的作用.所以壁虎可以在直立的墙壁上爬行而掉不下来.”我又查阅了《少年自然百科辞典》,书中这样写到：“壁虎四肢的指(趾)扁平宽大,下面形成了皮肤襞褶,有无数微细的腺毛,且具有粘附能力,可在墙壁、天花板、光滑的平面上爬行.”难道真是上述原因使得壁虎可以在竖直的墙壁上和竖直的玻璃等光滑表面自由爬行呢?针对这个问题我做了观察试验.
观察试验一
1．目的 了解壁虎爬行的现象及规律.
2．材料和方法 壁虎1只,把它放在竖直的墙壁上和玻璃上观察其爬行的情况.
3．结果 通过观察,看到壁虎在墙壁上、玻璃上爬行时,腹部和尾部紧紧贴在墙壁上,头稍稍向上抬起,这样可以观察周围的环境.前足掌指和掌指的跗节及后足的掌趾和掌趾的跗节,也都紧贴在墙壁上,掌臂和腿节都向上抬起,支挂着全身重量,可带动掌指(趾)、跗节、后足向前爬行.在壁虎爬行时有这样一个规律,左前足和右后足几乎同时抬起,向前伸展,这时头冲着右上方,而长长的尾巴却向着左下方.然后右前足和左后足又同时抬起,向前伸展,这时头冲着左上方,而尾巴相反向着右下方.整个身体呈“S”或“S”形.壁虎这样爬行起到了一个把握身体平衡的作用.壁虎的爬行主要是靠前后足的交替运动来完成的.
观察试验二
1．目的 了解壁虎四趾的结构.
2、材料和方法
(1)双筒解剖镜1台、显微镜1台、壁虎2只、胶布1卷、手术刀1把.
(2)将壁虎的腹面向上,四肢用胶布贴在解剖镜的平台上,用双筒解剖镜观察.
(3)用手术刀将1只壁虎的爪取下,用镊子夹取上面的白褶一束,分别放在显微镜下观察.
3．观察结果
(1)壁虎每个足各有5个指(趾).
(2)指(趾)下的皮肤形成的横褶是一层一层的,排列得很有规律,从侧面看白褶都向斜上方凸起,褶和褶之间形成了一个个凹缺.
(3)在显微镜下观察一束壁虎指(趾)下的皮肤白褶,发现白褶上密密麻麻地长满了白毛,很像一把刷子.毛很柔软,像一根根能够自由弯曲的针.
(4)壁虎指(趾)的尖端除去拇指(趾)以外,其余4指(趾)尖端都生有一个钩爪.
(5)取下其中的1个钩爪,放在显微镜下观察,发现壁虎钩爪的下端左右两侧各有1个更小的小钩.这样每个指(趾) [拇指(趾)除外)均拥有3个钩(1个大钩、2个小钩),壁虎共有16个指(趾)有钩,这样1只壁虎的钩爪数量为：
3×(20—4)=48(个)它们在壁虎爬行中一定会起到重要的作用.
(6)每个掌足指(趾)的跗节处,都密密麻麻地生有环状的皮垫,而且圆形皮垫内凹凸不平.
以上这些结构在壁虎爬行中各自都起着重要的作用.为了更具说服力,我做了以下几组对比性试验.
观察试验三
1．目的 了解各个结构在壁虎爬行时所起到的作用.
2．材料和方法 壁虎2只,胶条1卷,手术刀1把,解剖盘1个,玻璃板 (50厘米×40厘米)1块,计时器1个,宽2厘米、长50厘米的狭窄通道2个 (其一表面粗糙,其二表面光滑).
3．观察结果 观察试验a：当把1只壁虎的白褶用胶条全部贴住时,再把壁虎重新放回竖直的墙壁上,壁虎仍可继续爬行,只是速度慢了许多,把壁虎放在竖直的玻璃板上,刚一松手,壁虎便掉落下来.
观察试验b：把壁虎放在解剖盘里,用手术刀将指(趾)尖的钩爪全部切去,再把它重新放在竖直的墙壁上.结果是刚一松手,壁虎便掉落下来,而把它放在竖直的玻璃板上,壁虎却能够继续爬行.
观察试验c：用手术刀各切去每个足上的1个钩、2个钩、3个钩、4个钩,观察到的现象如表1所示.
观察试验d：把1只壁虎分别放到长50厘米、宽2厘米的玻璃和粗糙平面的狭窄通道,记录其通过全程所用的时间(表2).
结果与分析
通过观察和试验,说明壁虎在墙壁上爬行时,钩爪起着极其重要的作用；在玻璃上爬行则指(趾)上白褶起着极其重要的作用.我们可以得出下列结论：壁虎在墙壁上爬行,用钩爪可以钩挂住墙上凸起的颗粒,随着前后足的交替运动可以向前爬行,白褶上的褶毛会一根根地插入墙壁的凹陷处,起到稳固作用,同时也加上尾巴的左右摆动和身体协调运动一起保持平衡.壁虎在光滑的玻璃表面爬行时,由于白褶突起,褶和褶之间形成了一个个凹陷,当壁虎在玻璃上向上爬行时,这一层层白褶被压得扁扁的,褶和玻璃之间形成厂一个个密闭小仓,里面形成了真空,可以起到吸盘的作用.而且白褶的褶毛是向斜上方生长的,容易使足带动指(趾)向上运动.另外一个重要的结构是壁虎的爪垫,它紧贴在玻璃上,因为爪垫内凹凸不平,也能起到一定的吸附作用.同时由于白褶褶毛和皮肤起到了增大摩擦力的作用,当然也有尾巴的摆动和身体的协调运动,这样就使得壁虎在光滑的玻璃表面能爬行.
我在解剖镜下观察壁虎指(趾)的结构肘,发现指(趾)背面覆盖着的鳞片生长排列很有规律,当指(趾)弯曲时,一片片的鳞片都向上翘起,鳞片之间有一些空隙.而当壁虎在墙壁—亡或玻璃板上时,指(趾)紧贴在墙壁或玻璃的表面,这时鳞片一片压着一片,其间没有什么空隙.壁虎在它爬行与不爬行时鳞片的两种不同的排列方式,从力学角度上来说起到了一个增大压力的作用.之所以这样说是因为：当壁虎不爬行时,指(趾)上的骨骼舒展开来,从而使得鳞片一个压着一个,这样每个鳞片对于它所压的鳞片便施加了一个力.根据力的原理：物体间的力可以大小不变地向一定方向传递.又由于鳞片是向前方生成的,这样力的传导方向便是向着指(趾)的尖端.然而指(趾)尖端是钩爪,这样每一个鳞片产生的力便集中到了一起,会产生一个很大的力.
由此可见,壁虎在竖直的墙壁上爬行时,钩爪钩挂住墙上凸起的颗粒,褶毛插入墙壁的凹陷处,随着前后足的交替运动向前爬行.在竖直的玻璃上爬行,白褶受到挤压形成了密闭的小仓,起到了吸盘的作用,同时爪垫也起到辅助吸附的作用.而且在任何爬行当中,鳞片都起到增大钩挂力量和加大摩擦力的作用.再与身体的运动和尾巴的摆动各方面的配合,就可以使得壁虎可以在竖直的墙壁上、玻璃上爬行.
那么,自然课本上所说的一些观点通过实验证明后发现前后有所矛盾.比如,自然课本上说壁虎是在墙壁上爬行,横褶起吸盘的作用.可是墙壁上凹凸不平,白褶贴在墙壁上,一定有许多细小的空隙,根本不可能形成密闭的小仓,也不可能起到吸盘的作用,所以这个观点前后矛盾.另外一书中所提到的是皮肤褶襞有无数徼细的腺毛,有粘附能力.可是我在显微镜下观察褶毛不是一种管状结构,里面也没有储存液体,而且在壁虎爬过某一物体后,物体上没有任何痕迹,因此我认为这个观点也是不对的.
点评
选择壁虎问题做研究题目,应当说对作者是一个挑战.由于壁虎是一种日常生活中常见的动物,已经有很多科学家开展过这方面的研究,因此搞不好作者的研究会落入俗套.但是本文作者以青少年研究科学的新视角进行观察,对壁虎问题开展了别开生面的研究,令人耳目一新.
作者从壁虎的爬行特征、组织结构以及不同结构的作用多方面进行了观察和研究,在很多地方有新创意,这是值得我们青少年总结学习的.特别是作者通过实验后,能够对自己的小学自然课本中的一些说法提出异议,证据确凿,以理服人,让人非常佩服作者的认真、细致与执着.青少年在科学研究的过程中非常需要这样的精神,要从小事做起,绝不放过研究中的一点一滴的“小问题”,要懂得很多大文章都是从小事做起的.
