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章鱼吸盘的秘密

2019-11-04 作者:移动互联   |   浏览(130)

(文/Katherine Harmon Courage)章鱼的吸盘非常神奇。它们能够各自独立地移动和抓握物体;还能“尝”出周遭水的味道;而且即使是在水下的粗糙表面上也能制造密闭的真空。而且许许多多潜水者,生物学家以及大胆的食客都能作证,这些小小的吸盘真的很有力气。

巴西世界杯已进入一个月倒计时。还记得上届南非世界杯给你留下精彩印象的事物吗?不绝于耳的呜呜祖拉、天后夏奇拉的性感身姿,当然,还有大名鼎鼎的章鱼哥保罗——章鱼哥通过对印有2个不同国旗的食槽中的贝壳进行选择性取食,来进行“预测”,并在世界杯上8次预测胜负全部命中,可谓博彩界的方向标、章鱼界的预言家、足球界的偶像派。

这令人十分惊奇,尤其是知道了这些吸盘的组织在柔软程度上接近水母组织以后。不过我们其实对于构成这些神奇吸盘的物质实在所知甚少。

图片 1章鱼保罗。willpress.blogspot.com

最近的一项深入研究揭示了章鱼吸盘的部分秘密。先前的研究已经揭示了章鱼吸盘的解剖结构,主要是依靠顶端的空腔和柔软的侧边来制造压力(差)来形成密闭的真空。然而新的研究表明,小吸盘之中隐藏着一些令人惊奇的秘密。

如今章鱼哥已经仙逝,但科学家们对章鱼这种神奇生物的研究还在继续。这一次,来自耶路撒冷希伯来大学的本雅明·霍奇纳(Benyamin Hochner)研究团队探究的是一个脑洞大开的问题:为什么章鱼的腕足不会打结?研究者特别针对章鱼的腕足吸盘进行了相关研究,结果发表在5月15日的《当代生物学》(Current Biology)上。

去年秋季,意大利里窝那(Livorno)的科学家向当地渔民购买了一大批普通章鱼(Octopus vulgaris)。科学家们从死去的章鱼身上切下吸盘,放到显微镜下和显微CT(微计算机断层扫描技术microcomputed tomography)之中进行观察。他们发现吸盘的侧面和边缘生长着细小的同轴排列的纤维丛,这正是在水底凹凸不平的表面上制造密闭真空的关键所在。

霍奇纳和他的同事们已对章鱼的运动系统进行了多年的研究。有趣的是,大部分的情况下,章鱼们其实并不“知道”它们的腕足在哪里,也就是说,章鱼的运动并不完全由脑中的运动神经中枢控制。

而吸盘的上层结构同样布满了沟槽,这有可能同样有助于制造——以及保持——有效的密闭真空。研究报告于去年底发表于开放期刊《英国皇家学会学报:界面》(Journal of the Royal Society: Interface)。

“我们人类的运动控制由脑中相对固定的运动和感知系统来完成,这个系统就像是一个地图,我们身体的各个部分都有相应的坐标。”霍奇纳对果壳网说:“但是对章鱼而言,这样相对简单的控制系统却是不现实的,因为它们的腕足太长而且弹性很大,这就给章鱼的运动赋予了无限的自由度——每条腕足都可以在任意的位点向任意的方向弯曲。”

图片 2你们这些坏人,为什么要研究我的吸盘?!收起来不给你们看了...图片来源:wetwebmedia.com

为了解决这一问题,章鱼把一部分的运动控制任务“下发”给了各个腕足中的外周神经,使它们的腕足“高度自治”。而脑只负责发布一个简单的命令——如抓握、探路等,并通过一个相对简化的控制程序把这一命令发布给各个腕足,最终由腕足自我控制完成任务。这意味着,章鱼哥保罗虽然不能控制运动的细节,但是选择国旗进行“预测”这个大方向确实是它控制完成的。

这项新发现“将为新一代附着型设备(例如粘性机器人)的研发提供一条路径”,论文作者写道。(受到章鱼吸盘的启发,有些研究者已经开始用3-D打印制造类似结构的吸盘了。)“模仿章鱼吸盘组织的人工材料对于设计新型人造吸盘将是至关重要的。”

霍奇纳特别关注了腕足的吸盘:这些吸盘会吸在几乎任何物体上,但是却并不会吸在自己身上。为什么这些腕足能够“自我识别”呢?霍奇纳首先用被斩下来的离体腕足进行实验,这些腕足离体后还能保持一个小时以上的活性。

然而,我们制造人工吸盘的努力到目前为止还没有任何进展。

结果显示,离体腕足不会进行自我吸附,但是却会吸附在被剥皮的腕足上。研究者也发现,它们会吸附在空的培养皿上,但是如果培养皿上覆盖了被剥下来的章鱼皮肤,则不会发生吸附现象。这些证据提示,参与章鱼自我识别的化合物可能存在于章鱼的表皮上,霍奇纳进一步进行了表皮成分粗提取实验,发现己烷萃取的粗提物引发了最大程度的吸附抑制,但是具体是哪一种化合物现在还尚不清楚。

科学家们研究了用来制造模仿章鱼的软性机器人的三种不同材料。这三种材料都是光滑的,缺乏真正的章鱼吸盘所具备的对于紧密结合至关重要的皱纹。

章鱼面对自己被截下的腕足时,表现出与对待其他食物时不同的试探行为。视频来源:Current Biology, Nesher et al.

除了对吸盘表面形状的研究之外,科学家们还用一种叫做微压痕单元的微力测试仪器(这种仪器通过一个弹簧推动物体来测量其弹性和硬度)检测了其在压力下的弹性。

随后,霍奇纳进一步选用了一类同类相食的真蛸章鱼(Octopus vulgaris)进行了在体实验。当真蛸遇到一条离体腕足时,情况会相对复杂——它们有时也会抓握离体腕足,并试图食用它。但是如果这条腕足是从其自身斩下,那么其抓握的倾向会明显低于抓握不明腕足的倾向,相应的进食倾向结果也一致。这意味着章鱼确实存在着某种自我识别机制,然而,在目前的研究中,这一机制也没有得到充分阐释。

吸盘(即所谓漏斗状器官infundibulum)的侧面和边缘都非常粘滑,和章鱼腕足的其他部分很相似(不过还不是最有弹性的组织,还比不上诸如人类皮肤,以及我们的心脏瓣膜)。而章鱼吸盘的顶端(叫做吸盘突起acetabular protuberance)则比吸盘其他部分僵硬得多。(这里能够经受得住3.4微牛顿的压力——而边缘则能经受7.4微牛顿)。这个部位的僵硬是在局部产生低压,从而(在宏观上)产生粘性的关键。

霍奇纳和他的同事们认为,这种自我识别机制或将应用到机器人科学中。霍奇纳在接受果壳网采访时表示:“对于那些可以变换形态的‘软体’机器人来说——比如投放到人体中进行医疗操作的机器人——有效的自我识别机制可以帮助这些机器人更加灵活而且无失误地完成‘变身’,以适应复杂的外在环境。”或许在未来的某一天,超微型医疗机器人在人体内灵活游走、“腕到病除”的时候,我们还会记起章鱼同志为科学断腕的英雄事迹。

但是在压力之下,两种组织都会变硬,这也有助于当章鱼吸盘接触某一表面时牢固地抓握。而反观另一方面(或者说另一条“腕足”),人工制造的材料,基本上无法在不同压力下改变自身的弹性。

信息来源:EurekAlert!

图片 3章鱼桑,您能好怎呀?图片来源:all-that-is-interesting.com

文章题图:shutterstock友情提供

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对于这些组织的表面及其弹性的进一步深入研究将有可能帮助我们研发出更加高效的软体机器人。例如,章鱼吸盘硬的顶端部分含有相当多的结缔组织。尽管还不知道确切的原因,研究者们假设,这可能有助于章鱼“保存弹性能量,以便长时间不依靠肌肉收缩而保持附着力”——这个功能将能够节约大量能源。

然而在得出成果之前,这种令人着迷的头足纲动物的吸盘仍然将是工程学上的又一个难解之谜。

本文编译自Scientific American Blogs:Octopus Suckers Have Groovy Secret for Strength

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关键词: 必威登录网站 章鱼 生物学