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特斯拉发明的单向阀，鲨鱼早就用上了
作者：佚名 转贴自：https://new.qq.com/rain/a/20210818A0BX1Y00 点击数：16
尼古拉·特斯拉在 1920 年发明了特斯拉阀，这是一种巧妙地利用了流体力学原理，不含活动组件的单向阀结构。一个世纪后，科学家们发现大自然早已将特斯拉的天才发明置于鲨鱼的消化系统内，成为这些顶级海洋掠食者肠道的秘密武器。
“是时候使用现代技术来观察鲨鱼令人惊叹的螺旋肠道了。”论文主要作者，美国加州州立大学多明格斯山分校（California State University Dominguez Hills）的助理教授 Samantha Leigh 说，“我们开发了一种新的手段来对这些组织进行数字扫描。这让我们无需切片就能够细致地观察软组织。” 来自美国加州州立大学多明格斯山分校、华盛顿大学（University of Washington）和加州大学欧文分校（University of California, Irvine）的研究团队 7 月 21 日在《英国皇家学会会刊 B》（Proceedings of the Royal Society B）上发表了这一研究成果。
研究者使用华盛顿大学“星期五港”实验室（Friday Harbor Laboratories）的计算机断层（CT）扫描仪，为美国洛杉矶自然历史博物馆（Natural History Museum of Los Angeles）的鲨鱼标本创建了 3D 图像。这与医院里标准 CT 扫描的工作原理类似：从不同角度拍摄一系列 X 射线图像，再用计算机进行处理，将其组合以获得 3D 图像。借助 CT 扫描 3D 成像，研究者无需解剖或破坏原有结构，就能直接观察到鲨鱼肠道的复杂细节。 “了解鲨鱼肠道三维形状的手段寥寥，CT 扫描是其中之一。”论文的共同作者、全球众多鱼类及其他脊椎动物骨骼扫描工作的领导者、华盛顿大学星期五港湾实验室（UW Friday Harbor Labs）教授 Adam Summers 说，“鲨鱼肠道如此复杂，拥有极多的重叠层，解剖会破坏组织的复杂背景和连通性，无从辨认。这就如同用剪刀剪碎一份卷起的报纸，碎片将再难拼接出一版完整的新闻。”
研究者从扫描图像中获得了不少有关鲨鱼肠道功能的新发现。这些螺旋状的器官似乎不只依靠平滑肌的节律蠕动控制食物在肠道中的移动，还借助重力来减缓食物移动。这一机制与一个多世纪前尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）设计的单向阀相同——无需任何活动部件的回流或辅助，就能限制流体仅单向流动。 特斯拉阀 特斯拉阀（Tesla Valve）也被称作瓣膜导管（valvular conduit），由美国发明家、物理学家、机械工程师、电气工程师尼古拉·特斯拉发明，并于 1920 年获得了美国专利许可。
鲨鱼肠道也是特斯拉阀 北太平洋角鲨的肠道有效实现了一个特斯拉阀的效果。来源：Samantha Leigh/California State University, Dominguez Hills（论文） 鲨鱼的肠道有效地“制造”了一个特斯拉阀，这一发现为理解鲨鱼进食和消化过程提供了新的线索。Leigh 解释道，大多数鲨鱼通常要隔上好几天甚至几周才能吃到一顿大餐，所以它们得靠消化系统长时间容纳食物，以尽可能地从食物中吸收更多的营养。螺旋肠道导致食物通过肠道时的运动减慢，能够帮助鲨鱼将食物保留得更久，也减少了处理食物所消耗的能量。 研究者说，鲨鱼是海洋中的顶级掠食者，进食的种类也很广泛，包括无脊椎动物、鱼类、哺乳动物甚至海草。自然而然，鲨鱼主导着海洋中许多物种的多样性。了解鲨鱼如何进食和排泄，对认识更广泛的生态系统也很重要。 “绝大多数的鲨鱼种类及他们的生理学特征，都是完全未知的。每一例博物学记录、体内可视化和解剖学研究的结果都是我们无法预料的。”Summers 说，“我们需要更仔细地观察鲨鱼，特别是观察鲨鱼下颚以外的部分，并观察那些与人类没有交集的鲨鱼物种。” 作者计划使用 3D 打印创建几种不同的鲨鱼肠道模型，用以实际测试材料穿过结构的过程。他们还希望在废水处理和水中微塑料过滤等领域与工程师合作，或许将让鲨鱼肠道成为工业应用的灵感来源。 主要参考来源： [1]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/uow-n3i071921.php [2]https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_valve 论文信息 【标题】Shark spiral intestines may operate as Tesla valves 【期刊】Proceedings of the Royal Society B 【日期】21 July 2021 【作者】Samantha C. Leigh, Adam P. Summers, Sarah L. Hoffmann and Donovan P. German 【DOI】https://doi.org/10.1098/rspb.2021.1359 【摘要】 Looking to nature for inspiration has led to many diverse technological advances. The spiral valve intestine of sharks has provided the opportunity to observe the efficiency of different valve systems. It is supposed that the spiral intestine present in sharks, skates and rays slows the transit rate of digesta through the gut and provides increased surface area for the absorption of nutrients. In this investigation, we use a novel technique—creating three-dimensional reconstructions from CT scans of spiral intestines—to describe the morphology of the spiral intestine of at least one species from 22 different shark families. We discuss the morphological data in an evolutionary, dietary and functional context. The evolutionary analyses suggest that the columnar morphology is the ancestral form of the spiral intestine. Dietary analyses reveal no correlation between diet type and spiral intestine morphology. Flow rate was slowed significantly more when the two funnel-shaped spiral intestines were subjected to flow in the posterior to anterior direction, indicating their success at producing unidirectional flow, similar to a Tesla valve. These data are available to generate additional three-dimensional morphometrics, create computational models of the intestine, as well as to further explore the function of the gastrointestinal tract of sharks in structural and physiological contexts. 【链接】 https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2021.1359 |
