金槍魚魚鰭中發現生物液壓系統

藍鰭金槍魚生就性能、耐力和速度兼備的體型，在大海中穿梭就像是天上划過的噴氣式飛機。正如最快的飛機具有精心設計的機翼來保證精確的機動性和燃料燃效效率，藍鰭金槍魚在海洋中穿梭時也需要極力控制自身具有推進力的和穩定的結構。斯坦福大學和蒙特利灣水族館稱，這種魚類傑出的機動性和精確的運動能力是由於具備脊椎動物中獨特的特殊化血管：加壓液壓魚鰭控制。

通過研究水箱中太平洋藍鰭金槍魚和黃鰭金槍魚的解剖結構、生理學、運動以及魚鰭移動，研究者發現了金槍魚身體上面和下面鐮刀形大魚鰭——奇鰭中存在生物液壓系統的證據。這一研究已發表在7月21日的科學上。

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研究第一作者、斯坦福大學博士後Vadim Pavlov說道：「動物是航空力學和流體力學領域優雅工程解決方案的很好來源。我們在這些金槍魚中所發現的不同於其他動物的液壓系統。這個複雜系統結合了淋巴系統、骨骼肌和鰭骨。我們的研究表明金槍魚和他們的快速遊動近親體內的這種複雜機能可以產生液壓，從而很好地調整他們魚鰭的形狀。通過展開或者縮回他們背部和尾部的魚鰭，就能改變魚鰭產生的物理作用力，實現機動性。」

金槍魚能夠利用液壓機制迅速和精確地移動奇鰭的能力對於需要小心處理能量消耗的場景是個巨大的優勢，比如獵物搜尋中的轉彎策略，進食以及長距離遊動。這個液壓控制系統能夠增強帆船和自主機器人中的設計。

一個特殊的系統

十多年前，斯坦福海洋科學Barbara Block教授和蒙特利灣水族館的同事們將太平洋藍鰭金槍魚引入到水族館的百萬加侖公海展館中。Block說道：「透過蒙特利灣水族館的玻璃，觀看這種莊嚴魚類的形態與機能之美，我們都為之迷醉。」

在對這些魚的觀察中，她注意到太平洋藍鰭金槍魚在展館中長得很大，某些達到了300多磅，但對自身的胸鰭、奇鰭以及尾鰭正在進行精密的調整。這些特質成為了斯坦福本科生實習項目的重點，包括拍攝太平洋藍鰭金槍魚在水族館巨大的主展館中遊動和覓食。但直到Pavlov參與到Block的實驗室之後，奇鰭的謎團才最終得到解決。

Pavlov與斯坦福本科生Nate Hansen一起鑒定了背部和尾部奇鰭基部下面一個裝滿液體的竇，或者說腔。這一結構似乎成謎，後來他們認識到這個血管、肌肉和骨骼系統似乎是標準液壓系統的生物模擬。肌肉對液體加壓，幫助改變魚鰭的形狀和位置，便於遊動和機動控制。搞清楚何種液體驅動了這種加壓則需要另一個不同領域的專業知識。

幹細胞生物學與再生醫學博士後Benyamin Rosental說道：「這一發現出乎預料。Pavlov在魚鰭和相關結構中發現了這個竇區域，並邀請我看看這是否與淋巴系統有關。我認為我們還是蠻早就發現了這是一個新穎的發現和一個獨特的系統。」

為了鑒定液壓系統輸入血管的來源和與淋巴系統的連接，團隊採用了多學科方法。研究者們記錄了太平洋藍鰭金槍魚和黃鰭金槍魚在設施中遊動的影片，極為貼近這種魚的拍攝使得他們能看到奇鰭迎角的細微變化。這些視頻使得研究者們能夠觀察金槍魚是如何為了實現不同遊動操作而改變這一區域和魚鰭形狀的。配合計算機模型模擬，團隊展示了金槍魚中液體流動是如何影響不同速度下魚鰭產生的作用力的。

確認這一液壓系統是金槍魚淋巴系統的一部分是另一項具有挑戰性的任務。雖然淋巴系統對於免疫機能而言非常關鍵，但先前並未有發現過淋巴液可以作為運動中的液壓液體。研究者對魚鰭內的脈管系統的路徑進行了細緻的檢查，研究了組織的纖維結構並測試了脈管系統中液體的分子構成，結果證實的確就是淋巴液。

淋巴管一般都較小，難以肉眼區分，但金槍魚中的淋巴管被改造成奇鰭中專門的大血管和通道系統。有了淋巴液作為液壓液體，這些通道中的增壓就能影響預期的位置和硬度，這樣就合起來改變了魚鰭的流體力學性質。快速調整魚鰭位置的能力影響了魚鰭的升力和阻力，防止了金槍魚在主動遊動中翻滾和左右搖擺，在遠距離遷徙中限制了能量損耗。

金槍魚為了在水柱中快速移動進化出了大量的形態學、生理學和行為適應，具有複雜的生理機能，包括增強的新陳代謝、獨特的心血管系統以及溫暖的體溫。這些特徵需要發育良好的淋巴系統來維持組織間的水平衡，保護生物體免於感染。現在，金槍魚生理機能的進化也可以包括獨特的水力學性能了。

Block說道：「初級的生物水力學例子是無脊椎動物，比如軟體動物、甲殼類動物以及水母。在脊椎動物中發現生物水力學運動極不尋常，這涉及肌肉、液體和骨骼結構的集成。就我們所知，魚類的這一進化機制此前從未被報道過，要不是我們能看到監禁中魚類的運動這還將不為人知。這說明了我們的海洋領域是多麼的不透明，還有多少有待發現。」

從金槍魚到技術

背鰭和尾鰭一般是筆直朝上或者朝下的，有助於控制身體姿態和遊動軌跡。就這樣，這些奇鰭就類似於水翼船，產生升力、側向力。團隊發現金槍魚的奇鰭的生物力學特性與標準液壓系統的三個基本元素相當匹配：肌肉作為液壓泵對液體加壓，脈管壁血管引導和控制系統，鰭條作為執行器將壓力能轉換為機械能。

Pavlov說道：「魚鰭液壓控制的自然機制對於設計新型可改變外形和硬度的『智能』控制表面很有吸引力。例如，這可以增強空中無人機和水下無人設備的機動性。」

Rosental希望繼續研究這個淋巴網路，看其中的結構是否同樣具有哺乳動物中淋巴結一樣的免疫功能。作為金槍魚生理學和生物力學研究的一部分，Block實驗室正在將高技術相機和運動感測器貼在金槍魚上，來更好地理解他們的運動動力學特性。

論文原文：DOI: 10.1126/science.aak9607

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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