来源:科技日报 发布时间:2021/9/2 9:57:54
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特斯拉100年前的发明,早已“长”在鲨鱼肠道中

 

1920年,发明家特斯拉设计了一种被他称作“瓣膜导管”的管道结构,后人将其称为特斯拉阀。这种管道的内部设计可以确保流体沿一个特定的方向流动,而无需移动部件。据最近发表在《英国皇家学会学报B辑》上的一篇论文,特斯拉阀可以作为一个模型,用于解释食物如何通过多种鲨鱼的消化系统。基于鲨鱼肠道的最新CT扫描结果,科学家们得出结论,它们的肠道是一种天然的特斯拉阀。
 
液体只能单向流动
 
特斯拉阀中一个巧妙设计是一组相互连接的、不对称的泪珠状回路。在专利申请中,特斯拉描述这一串11个流体控制组件“由扩大、迂回、突出的挡板或斗状结构组成。当流体沿某一方向通过时,除了有表面摩擦外,几乎没有阻力,但是液体如果想从相反的方向流过几乎不可能。”此外,由于特斯拉阀可以在不移动部件的情况下实现这一点,所以它更能承受频繁操作带来的磨损。
 
特斯拉称,相反方向的水流通过阀门的速度可以相差200倍,这可能夸大其词了。根据他的设计,纽约大学的一个科学家团队于2021年建造了一个可以实际运行的特斯拉阀,并通过测量在不同压力下,分别从两个方向通过阀门的水流量来检验这一说法。科学家们发现,水在两个方向的流动速度仅差了约一半。
 
但是在实验中,水的流速是一个关键的影响因素。当水流较慢时,阀门提供的阻力很小,而一旦流速超过某个阈值,阀门的阻力就会增加,产生反向湍流,导致管道被涡流和破坏性水流“堵塞”。因此,根据论文共同作者利夫·莱斯托夫的说法,它实际上更像是一个开关,有助于平滑脉冲流,类似于交流/直流电转换器将交流电转换为直流电。莱斯托夫认为这可能正是特斯拉设计这个阀门的意图,因为他最出名的发明就是交流电机和交流/直流电转换器。
 
数字化扫描观察肠道组织
 
现在,特斯拉阀为研究鲨鱼不同寻常的肠道结构提供了线索。鲨鱼是食物链顶端的掠食者,能以多个物种为食,因此它们在生态系统生物多样性的控制中具有很重要的作用。大多数鲨鱼的螺旋肠中含有不同数量的褶皱,它们的基本形态有以下4种:柱状、卷轴状和两种漏斗状——包括细口指前和指后的两种形式。这4种类型的肠道通常以二维草图显示,这些草图包括鲨鱼肠道解剖后的二维展开图,或来自三维结构成像的二维切片。但这些草图并不能帮助科学家们深入了解该结构是如何工作的。
 
“是时候使用现代技术来观察鲨鱼惊人的螺旋肠结构了。”论文的共同作者,美国加州州立大学多明格斯山分校的萨曼莎·利说,“我们开发了一种新的数字化扫描方法,来扫描这些组织。通过这种方法,我们不需要对软组织进行切片,就可以非常详细地观察它们。”
 
去年,日本研究人员用3D模型重建了一种猫鲨肠道组织的显微切片图像,这让他们得以一瞥卷轴状螺旋肠的解剖结构。文章的共同作者亚当·萨默斯和其在美国华盛顿大学富莱德港实验室的同事认为,CT扫描可能可以完成类似的工作,因为这项技术能从不同角度拍摄一系列X射线图像,然后将它们组合成3D图像。
 
“CT扫描是了解鲨鱼肠道三维结构为数不多的方法之一。”萨默斯说,“肠道如此复杂,有多层重叠在一起,解剖会破坏组织的脉络和连接。这就像把一份卷起来的报纸剪开来阅读,报道内容没法连贯起来。”
 
萨默斯等人从洛杉矶自然历史博物馆保存的22种鲨鱼标本和先前受赠的冷冻鲨鱼标本中获得了肠道样本。这些肠道样本经解剖取出后,用去离子水冲洗干净。该团队用液体填充肠道样本,并将其冷冻干燥以保持形状,然后对它进行扫描,获得虚拟的3D模型。
 
接下来,该团队对这4种未冷冻的肠道样本进行多次实验。例如,研究人员让液体流过螺旋状肠道结构,发现液体沿正向流动时,通常需要大约35分钟才能通过;但是当肠道方向颠倒后,这个过程的用时会翻倍。这与去年纽约大学的特斯拉阀实验的结果一致。
 
该团队还对5条安乐死的太平洋白斑角鲨进行实验。研究人员让不同黏度的有色液体通过螺旋肠,观察螺旋肌对液体的反应。肠道似乎减缓了食物的运动,通过重力和肠道平滑肌的收缩引导食物通过肠道。然而,肌肉收缩主要是用来混合和搅动流经的液体:这种不寻常的肠道结构足以推动任何东西移动。
 
这种奇特的肠道结构之所以会进化出来,首要原因可能是鲨鱼要间隔数天甚至数周才有一顿大餐。论文作者猜测,这种不寻常的螺旋结构扩大了肠道的表面积和体积,从而延长了食物在肠道中停留的时间。这能促使更多的营养物质被吸收,以及减少了消化食物所需的能量。
 
(Jennifer Ouellette撰文,赵冰莹翻译,据“环球科学”)
 

 

 
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