巨大的蓝鳍金枪鱼天生就是性能、耐力和速度的化身,像天空中的喷气式飞机一样穿越海洋。斯坦福大学和蒙特利湾水族馆的一项最新研究表明:金枪鱼所具有得卓越的机动性和精准的运动能力得益于脊椎动物特有的血管特化,详细研究已经发表在7月21日的《Science》上。
通过研究太平洋蓝鳍金枪鱼和黄鳍金枪鱼的解剖学、生理学和运动学,研究人员在金枪鱼身体上方和下方的大型镰刀状鳍中发现了一种生物液压系统,称为中鳍。研究人员称,这种液压系统不同于其他动物的液压系统,这是一个将淋巴系统、骨骼肌和鳍骨融合在一起的肌肉血管复合体。研究证明,金枪鱼及其游速极快的近缘物种利用这种复合体产生液压来对鳍的形状作出细微的调整,通过扩张或缩回背鳍和尾鳍,改变鳍物理力学性能,从而使其变得异常机动灵活。金枪鱼能够用水动力学机制快速准确地移动这些中鳍,这可能是在寻找猎物、喂食和长距离游泳过程中的优势。
十多年前,研究人员将太平洋蓝鳍金枪鱼引入到水族馆进行展览,发现金枪鱼在对胸鳍、中尾鳍和尾鳍做细微的调整。Pavlov与斯坦福大学的NateHansen合作,发现了一个不寻常的窦,或是腔,在背鳍和肛门中间鳍的底部下面并充满了液体。这个结构看起来很神秘,直到他们意识到这个血管、肌肉和骨骼系统似乎是一个生物液压系统。肌肉挤压液体,这有助于改变鳍的形状和位置,用于游泳和转向控制。通过研究视频记录,研究人员得以确定金枪鱼是如何改变鳍的面积和形状以执行不同的动作的。
与计算机模型模拟相结合,研究小组还展示了流体如何流过金枪鱼,如何影响鳍在不同的游动速度下产生的力。确认液压系统是另一项具有挑战性的任务,虽然淋巴系统对免疫功能至关重要,但以前没有发现过淋巴液可作为液压液。研究人员对鳍内体液通路进行了详细的检查,研究了组织的微观结构,并测试了脉管内流体的细胞组成,证明它是淋巴液。
金枪鱼有许多形态、生理和行为上的适应性,能够在水体中迅速穿行,它还有诸多复杂的生理学特性,包括新陈代谢快、心血管系统独特和温暖的体温等。这些特征需要一个发达的淋巴系统,以维持组织中的水分平衡,保护生物体不受感染。现在,金枪鱼生理的进化又增加了这种独特的液体力学功能。
研究人员称,生物液体力学的主要例子是无脊椎动物,如软体动物、甲壳动物和水母,在脊椎动物中观察到生物液压运动是非常少见的,它的发现也说明我们对海洋的了解还少之又少。许多帆船和自动车辆的设计已经模仿了金枪鱼体型的流线型设计,对于金枪鱼这种液压控制系统还可以进一步借鉴学习。