@ 2017.08.09 , 15:00
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金枪鱼鱼鳍中发现生物液压系统

蓝鳍金枪鱼生就性能、耐力和速度兼备的体型,在大海中穿梭就像是天上划过的喷气式飞机。正如最快的飞机具有精心设计的机翼来保证精确的机动性和燃料燃效效率,蓝鳍金枪鱼在海洋中穿梭时也需要极力控制自身具有推进力的和稳定的结构。斯坦福大学和蒙特利湾水族馆称,这种鱼类杰出的机动性和精确的运动能力是由于具备脊椎动物中独特的特殊化血管:加压液压鱼鳍控制。

通过研究水箱中太平洋蓝鳍金枪鱼和黄鳍金枪鱼的解剖结构、生理学、运动以及鱼鳍移动,研究者发现了金枪鱼身体上面和下面镰刀形大鱼鳍——奇鳍中存在生物液压系统的证据。这一研究已发表在7月21日的科学上。

金枪鱼鱼鳍中发现生物液压系统
credit: 煎蛋画师圆_圆

研究第一作者、斯坦福大学博士后Vadim Pavlov说道:“动物是航空力学和流体力学领域优雅工程解决方案的很好来源。我们在这些金枪鱼中所发现的不同于其他动物的液压系统。这个复杂系统结合了淋巴系统、骨骼肌和鳍骨。我们的研究表明金枪鱼和他们的快速游动近亲体内的这种复杂机能可以产生液压,从而很好地调整他们鱼鳍的形状。通过展开或者缩回他们背部和尾部的鱼鳍,就能改变鱼鳍产生的物理作用力,实现机动性。”

金枪鱼能够利用液压机制迅速和精确地移动奇鳍的能力对于需要小心处理能量消耗的场景是个巨大的优势,比如猎物搜寻中的转弯策略,进食以及长距离游动。这个液压控制系统能够增强帆船和自主机器人中的设计。

一个特殊的系统

十多年前,斯坦福海洋科学Barbara Block教授和蒙特利湾水族馆的同事们将太平洋蓝鳍金枪鱼引入到水族馆的百万加仑公海展馆中。Block说道:“透过蒙特利湾水族馆的玻璃,观看这种庄严鱼类的形态与机能之美,我们都为之迷醉。”

在对这些鱼的观察中,她注意到太平洋蓝鳍金枪鱼在展馆中长得很大,某些达到了300多磅,但对自身的胸鳍、奇鳍以及尾鳍正在进行精密的调整。这些特质成为了斯坦福本科生实习项目的重点,包括拍摄太平洋蓝鳍金枪鱼在水族馆巨大的主展馆中游动和觅食。但直到Pavlov参与到Block的实验室之后,奇鳍的谜团才最终得到解决。

Pavlov与斯坦福本科生Nate Hansen一起鉴定了背部和尾部奇鳍基部下面一个装满液体的窦,或者说腔。这一结构似乎成谜,后来他们认识到这个血管、肌肉和骨骼系统似乎是标准液压系统的生物模拟。肌肉对液体加压,帮助改变鱼鳍的形状和位置,便于游动和机动控制。搞清楚何种液体驱动了这种加压则需要另一个不同领域的专业知识。

干细胞生物学与再生医学博士后Benyamin Rosental说道:“这一发现出乎预料。Pavlov在鱼鳍和相关结构中发现了这个窦区域,并邀请我看看这是否与淋巴系统有关。我认为我们还是蛮早就发现了这是一个新颖的发现和一个独特的系统。”

为了鉴定液压系统输入血管的来源和与淋巴系统的连接,团队采用了多学科方法。研究者们记录了太平洋蓝鳍金枪鱼和黄鳍金枪鱼在设施中游动的影片,极为贴近这种鱼的拍摄使得他们能看到奇鳍迎角的细微变化。这些视频使得研究者们能够观察金枪鱼是如何为了实现不同游动操作而改变这一区域和鱼鳍形状的。配合计算机模型仿真,团队展示了金枪鱼中液体流动是如何影响不同速度下鱼鳍产生的作用力的。

确认这一液压系统是金枪鱼淋巴系统的一部分是另一项具有挑战性的任务。虽然淋巴系统对于免疫机能而言非常关键,但先前并未有发现过淋巴液可以作为运动中的液压液体。研究者对鱼鳍内的脉管系统的路径进行了细致的检查,研究了组织的纤维结构并测试了脉管系统中液体的分子构成,结果证实的确就是淋巴液。

淋巴管一般都较小,难以肉眼区分,但金枪鱼中的淋巴管被改造成奇鳍中专门的大血管和通道系统。有了淋巴液作为液压液体,这些通道中的增压就能影响预期的位置和硬度,这样就合起来改变了鱼鳍的流体力学性质。快速调整鱼鳍位置的能力影响了鱼鳍的升力和阻力,防止了金枪鱼在主动游动中翻滚和左右摇摆,在远距离迁徙中限制了能量损耗。

金枪鱼为了在水柱中快速移动进化出了大量的形态学、生理学和行为适应,具有复杂的生理机能,包括增强的新陈代谢、独特的心血管系统以及温暖的体温。这些特征需要发育良好的淋巴系统来维持组织间的水平衡,保护生物体免于感染。现在,金枪鱼生理机能的进化也可以包括独特的水力学性能了。

Block说道:“初级的生物水力学例子是无脊椎动物,比如软体动物、甲壳类动物以及水母。在脊椎动物中发现生物水力学运动极不寻常,这涉及肌肉、液体和骨骼结构的集成。就我们所知,鱼类的这一进化机制此前从未被报道过,要不是我们能看到监禁中鱼类的运动这还将不为人知。这说明了我们的海洋领域是多么的不透明,还有多少有待发现。”

从金枪鱼到技术

背鳍和尾鳍一般是笔直朝上或者朝下的,有助于控制身体姿态和游动轨迹。就这样,这些奇鳍就类似于水翼船,产生升力、侧向力。团队发现金枪鱼的奇鳍的生物力学特性与标准液压系统的三个基本元素相当匹配:肌肉作为液压泵对液体加压,脉管壁血管引导和控制系统,鳍条作为执行器将压力能转换为机械能。

Pavlov说道:“鱼鳍液压控制的自然机制对于设计新型可改变外形和硬度的‘智能’控制表面很有吸引力。例如,这可以增强空中无人机和水下无人设备的机动性。”

Rosental希望继续研究这个淋巴网络,看其中的结构是否同样具有哺乳动物中淋巴结一样的免疫功能。作为金枪鱼生理学和生物力学研究的一部分,Block实验室正在将高技术相机和运动传感器贴在金枪鱼上,来更好地理解他们的运动动力学特性。

论文原文:DOI: 10.1126/science.aak9607

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 7+1

  1. 3530519

    并不关心。。和口感没关系

  2. loooser
    @6 months ago
    3530526

    生物液压… 人身上不就有吗?

  3. 刘刘木风
    @6 months ago
    3530527

    海绵体不是吗?
    手动滑稽

  4. 3530545

    我利用血液作为液压液体,改变丁丁的位置和形状,便于繁衍和迁徙。

  5. 燃烧蛋
    @6 months ago
    3530664

    没图,光有字看不懂

  6. 二代鸟lx
    @5 months ago
    3531207

    蓝鳍金枪鱼生……

  7. 3531220

    所以又多了一味壮阳药?

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