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当hagfish发生这种粘液时,就像溜鱼发掘它的晚餐被一片爱戴性粘液所不通

时间:2020-04-02 20:27

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在黑暗的海洋深处数百米深处,一条鲨鱼滑向似乎是一顿饭的东西。它有点丑陋,像鳗鱼一样,并不是特别多肉,但仍然可能是食物。所以鲨鱼袭来。

这些hagfish至少可以追溯到3亿年前。这些类似鳗鱼的海洋生物的生存秘诀可以在它为抵御掠食者而产生的粘液的速率和体积中找到。有趣的是,这些类似鳗鱼的海洋生物中最古老的化石是在伊利诺伊州发现的,今天伊利诺伊大学厄本那

香槟分校的研究人员开始揭开这种hagfish如何利用这种物质扼杀它的捕食者的神秘面纱。

伊利诺伊州机械科学与工程学副教授Randy Ewoldt表示,Hagfish既令人惊叹也令人厌恶。他研究了这种ha鱼约十年。他们恶心的原因解释了他们如何在这段时间里幸存下来。

Ewoldt和第一作者Ewoldt实验室的博士生Gaurav Chaudhary以及威斯康星大学的数学家Jean-Luc Thiffeault在皇家杂志发表的一篇论文中分享了他们关于解开H鱼细片的研究结果。社会界面。

多年来人们都知道它们粘糊糊的事实,但直到这十年才终于有证据表明,它使用它的粘液阻塞了一些吸食掠食者的鳃,证实了怀疑为什么hagfish产生粘液。

当hagfish产生这种粘液时,它们以非常有效的方式进行,因为它们放入水中的材料量增加了10,000倍,从而形成最终的粘性凝胶,Ewoldt解释说。体积的增加是令人震惊的,据我所知,其他任何事情都没有触及我们作为工程师所做的任何事情。

Ewoldt承认,尽管将来可能会使用hagfish的方法设计一些真实世界的应用程序,但解释hagfish如何生产这种材料更多是由好奇心驱动的研究。

我们想调查背后的原因,这件事情是多么奇怪和奇怪,Ewoldt说:有趣的物理学和没有明确类比的事实成了我们试图解释它的动机。

皇家学会界面发布了不同科学界面的研究成果。在这种情况下,解释在物理学,应用数学和生物学的交叉点遇到的神秘的hagfish。

随着线程数量的增加,hagfish粘液不会保持相同的拓扑结构,它会随着线程的解体和体积的增加而发生根本性的变化,Ewoldt说。这项研究的重点是这个独特的机制。

该团队发现的是,hagfish的线程比人类头发细100倍,最初像纱线一样缠绕,可能会因流体流动而在眨眼间解开。在这样做时,其长度可以从大约0.1毫米到10厘米,或者水的结合量为10,000:1。

这项工作建立在Ewoldt早在十年前与实验生物学家合作发表的论文的基础上,包括查普曼大学副教授,一些ha鱼的守护者Doug Fudge。

Chaudhary,Ewoldt和Thiffeault的团队假设流体流动实际上是在发生这种情况,而不是像化学爆炸一样。利用Fudge护理中的hagfish产生的材料,该团队使用数学和物理学创建了一个模型来检验假设,并发现粘液解开的时间和体积与周围液体的粘度和流量相关。换句话说,如果将粘液放入静水中,它将无法解开,但在一些攻击中,将有足够的流体流动使粘液解开。

Ewoldt指出,由于对hagfish的攻击发生在不同的条件下,他的团队不得不简化以提出一个模型场景。另一个可能影响这一过程的驱动因素还有待衡量

  • 即螺纹内部的粘性,这可能会产生一些阻力。

由于hagfish案例中的物理阻力从未被测量过,我们必须真正推广我们的数学模型,并使用一些合理的数值范围来做到这一点,Ewoldt说。一个非常有效的方法是写下控制方程式并使用维数分析来获取复杂的高维方程并找到简化它们的方法。结论的稳健性在于它不仅仅是一个单一的值。财产,而不是我们可以通过强有力的方式构建数学的一系列事物。

最后,在各种条件下,该团队得出结论,这种从大约0.1毫米到大约10厘米的解开可能在不到几百毫秒内发生。

虽然得到的粘液凝胶是固体,但它足够柔软以采取其容器的形式,使得它几乎不能被一桶水中的眼睛检测到。它也足够坚固且不渗透,足以几乎阻止水流。

在未来,流变学研究领域的领先专家Ewoldt及其团队希望进一步研究其水力渗透性,并最终在开发具有相同性质的材料方面发挥作用。

我希望更多地考虑材料设计方面,Ewoldt说。我们还没有弄清楚如何制作这样的材料,它会在水中膨胀,并在海洋环境中堵塞东西。

你可以说,当涉及到一种幸存至少3亿年的生物hagfish时,还有更多的神秘事物需要解开。

这就是生物学和物理学的相互作用变得神秘的地方 - 就像鲨鱼发现它的晚餐被一片保护性粘液所打断,这些粘液在一片平静的ha鱼周围突然出现。

威斯康星大学麦迪逊分校数学教授Jean-Luc Thiffeault以及伊利诺伊大学的合作者Randy Ewoldt和Gaurav Chaudhary以数学方式模仿了hagfish的诱导防御机制,今天在英国皇家学会界刊上发表了他们的工作。

由于所有最奇怪的原因,海洋栖息的ha鱼是独一无二的。它有一个头骨,但没有脊柱或下巴。它的皮肤松散

身体,仅沿背部附着。它的牙齿和鳍是原始的,不发达的结构,最好用限定词描述

  • 牙齿状和鳍状。

但它有一个惊人的技巧,令人毛骨悚然,松散的皮肤袖子:在眨眼间(或攻击尾巴和牙齿的闪光),hagfish可以在粘液中产生自身身体体积的许多倍。咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜咕噜鲨鱼的嘴巴立刻充满了这种凝胶,Thiffeault说。事实上,它经常杀死它们,因为它会阻塞它们的鳃。

这种凝胶是一种缠绕在一起的微观海水捕获线的网络,这些线是从沿着hagfish皮肤的腺体喷出的物质球中解开的。这些绞线直径只有百万分之一米(人类头发宽度的两倍),但是如此密集地盘绕,它们可以包含多达15厘米的线。好奇的科学家们已经开始研究解开之前,将绞纱放入盐水中,看看它们分开了多长时间。

hagfish在不到半秒的时间内完成它,但是在实验中需要花费数小时的时间才能使螺纹松动,Thiffeault说,他的研究主要集中在流体动力学和混合上。直到他们搅拌水,它发生得更快。搅拌就是这样。

粘液建模者开始研究数学是否可以告诉他们咬合和晃动攻击的湍流水是否足以解开绞纱并制造粘液,或者是否有另一种机制

  • 如化学反应提供一些弹出绞纱 - 是必需的。

Ewoldt是一名机械工程学教授,他的研究生Chaudhary开始在显微镜下解开绞纱,看着这个过程,因为线头的松散末端粘在一个移动的注射器的尖端上,拖尾长度从球上旋出。

我们的模型取决于一个小块的想法,这个小块最初悬空,然后是一块被拉开的碎片,Thiffeault说。把它想象成一卷胶带。要开始从新卷上拉胶带,你可能不得不寻找最后的东西并用指甲撬起它。但如果已经有一个自由端,很容易用一些东西抓住它然后开始吧。

展开需要在自由端上的阻力与绞纱上的相反推力之间存在足够大的差异 - 大于研究人员非正式地称为剥离数的临界点 - 以释放更多线程。

如果整个事情在水中自由流动,那就不太可能发生,Thiffeault说。我们模型的主要结论是我们认为机制依赖于线程被其他东西捕获

  • 其他线程,捕食者嘴巴内部的所有表面,几乎任何东西 - 而且它从那里它真的可以爆炸性的。

它甚至不必是一个障碍。

生物学就像它一样,它不一定非常精确。事情变得一团糟,Thiffeault说。那个领先的线程可以被抓住一点,然后滑倒,然后再次被抓住。只要它发生了足够的绞痛,你就会很快就会陷入困境。

粘液中的粘蛋白,可以加速粘性蛋白质分解的粘蛋白可以促进绞痛,但这些东西只能帮助流体动力学,Thiffeault说,他曾经计算过游泳海洋生物混合的程度。海洋与他们的鳍和脚蹼。

他说:很难想象除了流体动力学流动之外还有另一个过程可以导致这些时间尺度的爆裂。当鲨鱼咬下来时,确实会产生湍流。这会产生更快的流动,为这些事物提供种子的各种事物。没有什么比我们的模型更好地发生

  • 这更好对于任何想要进行更多测量的人来说都是开始 - 但我们的模型显示出物理力量起着最大的作用。

hagfish粘液的流体动力学不仅仅是一种好奇心。了解凝胶的形成和行为是许多生物过程和类似的工业和医学应用中的常见问题。

我们将来喜欢处理的事情之一就是线程网络。我喜欢将材料建模为线程的大随机集合,Thiffeault说。纠缠线程的简单模型可以帮助我们了解网络如何决定许多不同的,有趣的材料的宏观属性。

国家科学基金会(CBET-1342408)的资助帮助支持了这项研究。

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