血吸蟲不同尋常的泳姿賦予它們的強感染能力

來源 Physics World

翻譯 安定

審校 寒雨 金庄維

T型尾蚴離開水生蝸牛游向水面以尋找人類寄主。（圖片來自論文原文）

血吸蟲病 是一種由裂體屬（Schistosoma）血吸蟲引起的寄生蟲疾病。當人們接觸到受感染的水體時，從淡水蝸牛身上釋放出的尾蚴會伺機穿透他們的皮膚，進入血管發育為成蟲。雌性成蟲隨後產卵，蟲卵隨尿液或糞便排出後再次感染蝸牛，或者直接寄生於人體器官中，從而引發疾病。

世界衛生組織的數據顯示， 2014年全球約有2.58億人感染此病，其中非洲最嚴重，然而卻只有20%的患者得到了治療。和那些常被忽視的熱帶疾病一樣，血吸蟲病主要影響貧困地區的人們。斯坦福大學的研究團隊於10月31日在Nature Physics中發表的研究顯示，尾蚴利用獨特的彈流耦合（elasto-hydrody namiccoupling）進行高效的遊動（論文信息見文末）。這一游泳方式更利於尾蚴感染人類。研究團隊希望他們的發現可以阻滯尾蚴的運動以減少感染。

貧窮陷阱血吸蟲病的常見癥狀包括腹痛腹瀉，便血尿血。長期感染此病會影響人類的工作能力，從而造成巨大的經濟損失，讓家庭變得貧困。童年患疾會影響學習，同樣也會造成貧血和發育受阻。據初步估計，每年約兩萬人死於血吸蟲病。

當下，血吸蟲病已有治療方法，但由於無法阻斷與污染水源的接觸，再感染經常發生。論文通訊作者 Manu Prakash 表示，當幼蟲離開寄宿的蝸牛之後，只有12個小時用來尋找人類寄主，否則它們就會餓死。因此，幼蟲游泳的效率與機制對疾病感染周期至關重要。於是，研究團隊採用2000幀/秒的高速照相機拍攝尾蚴的泳姿進行研究，並建立了相關的數學模型和機器蟲模型。

尾蚴身長約500微米，由頭部與尾部兩部分組成，其尾部末端分開成叉狀。這種叉狀的尾巴十分獨特，目前尚未在其他充分研究的水生微生物中發現。通過實驗，研究者發現了尾蚴的三種泳姿，而每種泳姿中尾部叉形部位的位置都不相同。其中最有效的泳姿是尾部向前的模式，這樣幼蟲可以克服重力向上游，更接近水面，感染人類的可能性也更高。此時尾部叉裝部位垂直於尾巴的其他部分，整體成T型。

(i)尾部向前式/T型泳姿（tail-first）；(ii)自由下沉式（free-sinking）；(iii)身體向前式（body-first）

破壞時間對稱

由於尾蚴的體積小，所以雷諾數小，這意味著尾蚴的運動主要受黏滯力的控制，而慣性力對其運動的影響不大。因此，尾蚴需要以破壞時間對稱的方式改變身體形狀才能運動。上述T型泳姿中出現的彈流耦合便打破了時間反演對稱性。所以，尾蚴以T型泳姿進行的運動是不可逆的。簡而言之，在這種模式下，尾蚴只能向上游，不能往下游。在T型泳姿下，尾蚴的尾部左右拍打，使兩端連接處（頭-尾、尾-叉）的彈性持續增加，這樣便形成了不尋常的彈性流體動力學效應：尾部像是彈性聯軸器，提供推進（propulsion）的能量，而兩端的連接處像扭簧（torsional springs）那樣提供全部的推力（thrust）。彈流耦合使「扭簧」的彈力作用平衡了叉狀部分受到的流體阻力。

T型泳姿示意圖。a，扭簧模擬了尾部兩端連接點的彈性作用，以黑色螺旋線表示；尾部起到了聯軸器的作用，以橙色折線表示。b，各連接點的速度和角速度，以及造成的流體動力學扭矩。（圖片來自論文原文）

低耗能機制

這種十分簡單卻低能耗的機制僅僅是通過連接部分的彈性來進行控制的。數學模型和機器蟲模型的模擬顯示，尾蚴尾部兩端連接處的剛度比使游泳最為高效。

研究團隊希望通過該實驗來解釋尾蚴的游泳技巧，從而進一步找到方法來阻止血吸蟲病的傳播。他們還實地觀察了尾蚴的泳姿，以及它們如何在開放水域找到宿主。

論文信息

【論文題目】Schistosoma mansoni cercariae swim efficiently by exploiting anelastohydrodynamic coupling

【作者】DeepakKrishnamurthy, GeorgiosKatsikis, ArjunBhargavaManuPrakash

【期刊】Nature Physics

【日期】31 October 2016

【DOI】:10.1038/nphys3924

【論文摘要】The motility of many parasites is criticalfor infecting their host, as exemplified in the transmission cycle ofthe parasite Schistosomamansoni. In its human infectious stage, submillimetre-scale forms of theparasite known as cercariae swim in freshwater and infect humans by penetratingthe skin. This infection causes schistosomiasis, a disease comparable tomalaria in global socio-economic impact. Given that cercariae do not feed andhence have a lifetime of around 12 hours, efficient motility is crucial forschistosomiasis transmission. Despite this, a first-principles understanding ofhow cercariae swim is lacking. Combining biological experiments, a noveltheoretical model and its robotic realization, we show that cercariae use theirforked tail to swim against gravity using a novel swimming gait, described hereas a 『T-swimmer gait』. During this gait, cercariae beat their tail periodicallywhile maintaining an increased flexibility near their posterior and anteriorends. This flexibility allows an interaction between fluid drag and bendingresistance—an elastohydrodynamic coupling, to naturally break time-reversalsymmetry and enable locomotion at small length scales. Finally, we find thatcercariae maintain this flexibility at an optimal regime for efficientswimming. We anticipate that our work sets the ground for linking the swimmingof cercariae to disease transmission, and could potentially enable explorationsof novel strategies for schistosomiasis control and prevention.

【論文地址】

http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3924.html

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