研究发现螺旋鲨鱼的肠子像尼古拉特斯拉的水阀一样工作

1920 年，塞尔维亚出生的发明家尼古拉·特斯拉设计并获得了他所谓的“瓣膜导管”的专利：一种管道，其内部设计确保流体沿一个首选方向流动，无需移动部件，使其成为微流体应用的理想选择，除其他用途外。根据最近发表在英国皇家学会会刊 B 上的一篇论文，特斯拉阀门还提供了一个有用的模型，用于说明食物如何通过许多鲨鱼的消化系统。基于对鲨鱼肠道的新 CT 扫描，科学家们得出结论，肠道是天然存在的特斯拉瓣膜。 “现在是使用一些现代技术来观察这些真正令人惊叹的鲨鱼螺旋肠的时候了，”加州州立大学多明格斯山分校的共同作者萨曼莎·利说。 “我们开发了一种新方法来对这些组织进行数字扫描，现在可以非常详细地观察软组织，而无需对其进行切片。”特斯拉巧妙的阀门设计的关键是一组相互连接的、不对称的、泪珠状的回路。在他的专利申请中，特斯拉将这一系列的 11 个流量控制段描述为“由扩大、凹陷、突出、挡板或桶组成的，对它在相反方向的流动构成了几乎无法逾越的障碍。”并且因为它在没有移动部件的情况下实现了这一点，特斯拉阀门更能抵抗频繁操作的磨损。特斯拉声称水在一个方向上流过他的阀门的速度比另一个方向慢 200 倍，这可能是夸大其词。纽约大学的一组科学家于 2021 年根据发明者的设计制造了一个可以工作的特斯拉阀门，并通过测量在不同压力下双向通过阀门的水流量来测试这一说法。科学家们发现水在非首选方向上的流动速度仅慢了两倍。然而，流量被证明是一个关键因素。该阀门在低流速下提供的阻力很小，但是一旦该速率增加到某个阈值以上，阀门的阻力也会增加，从而产生反向湍流，从而使管道被涡流和破坏性电流“堵塞”。因此，根据合著者 Leif Ristroph 的说法，它实际上更像是一个开关，并且还可以帮助平滑脉冲流，类似于 AC/DC 转换器如何将交流电转换为直流电。事实上，Ristroph 认为这可能是特斯拉设计阀门的意图，因为他最大的声望是发明了交流电机和交流/直流转换器。现在，特斯拉阀门提供了对鲨鱼肠道不寻常结构的洞察，这要归功于来自三所大学的研究人员团队：加州州立大学、多明格斯山分校、华盛顿大学和加州大学欧文分校。鲨鱼是顶级掠食者，以多种物种为食，因此对于控制更大生态系统中的生物多样性很重要。大多数鲨鱼都有螺旋肠，由肠组织中不同数量的褶皱组成，通常是四种基本结构之一：柱状、卷曲、指向后部的漏斗或指向前部的漏斗。这四种类型的肠道通常以 2D 草图描绘，这些草图在解剖后以二维展开，或通过三维结构成像为二维切片。但这并没有让科学家们深入了解该结构是如何在原位工作的。

去年，根据这篇最新论文的作者，日本研究人员将一种猫鲨的组织切片显微照片重建成一个 3D 模型，提供了“卷轴式螺旋肠解剖结构的诱人一瞥”。华盛顿大学星期五港实验室的共同作者亚当萨默斯和他的同事们认为 CT 扫描可能会完成类似的事情，因为该技术涉及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 扫描是从三个维度了解鲨鱼肠形状的唯一方法之一，”萨默斯说。 “肠道是如此复杂，有如此多的重叠层，解剖破坏了组织的背景和连通性。这就像试图通过用剪刀卷起的副本来理解报纸上报道的内容。这个故事刚刚赢了不要挂在一起。”萨默斯等人。从洛杉矶自然历史博物馆的 22 种鲨鱼标本和先前冷冻的捐赠鲨鱼标本中获得了肠道。通过解剖取出肠子，然后用去离子水冲洗干净，使其不含任何残留内容物。接下来，该团队用流体填充样本并冷冻干燥以保持其形状，然后对其进行扫描以生成虚拟 3D 模型。这让研究人员对肠道的结构有了很好的了解。接下来，该团队对四种肠道中的每一种进行了解冻样本，并进行了多次实验。例如，研究人员让液体通过螺旋，发现当它们遵循正常流动方向时，液体通常需要大约 35 分钟才能通过。但是当肠道颠倒时，这个过程需要两倍的时间，与正常流动的方向相反。这与去年纽约大学特斯拉阀门实验的结果一致。该团队还对五条最近被安乐死的太平洋多刺角鲨进行了实验。研究人员将不同粘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将其引导到肠道。然而，这些收缩主要用于混合和搅动通过的任何液体。肠道不寻常的结构足以推动一切。至于为什么这种特殊的肠道结构最初可能会进化，鲨鱼可以在大餐之间间隔数天或数周。作者假设不寻常的螺旋结构提供了扩大的表面积和体积，从而延长了食物在肠道中的停留时间。这增加了营养物质的吸收，也减少了鲨鱼消化食物所需的能量。下一步是创建不同类型鲨鱼肠道的 3D 打印模型并进行类似的实验。 “绝大多数鲨鱼种类，以及它们的大部分生理机能，都完全未知，”萨默斯说。 “每一次自然历史观察、内部可视化和解剖学调查都向我们展示了我们无法猜测的事情。我们需要更仔细地观察鲨鱼，特别是，我们需要更仔细地观察下颚以外的部分，以及物种不与人交往。”