这些海洋杀手，比你更懂如何使用物理学

　　撰文 | Jennifer Ouellette

　　翻译 | 赵冰莹

　　审校 | 白德凡

　　1920 年，塞尔维亚裔美籍的发明家特斯拉（Nikola Tesla）设计了一种他称作“瓣膜导管”（valvular conduit）的管道结构，并申请了专利。这种管道的内部设计可以确保流体沿一个特定的方向流动，而无需移动部件。据最近发表在《英国皇家学会学报B辑》上的一篇论文，特斯拉阀可以作为一个模型，用于解释食物如何通过多种鲨鱼的消化系统。基于鲨鱼肠道的最新 CT 扫描结果，科学家们得出结论，它们的肠道是一种天然的特斯拉阀。

　　“是时候使用现代技术来观察鲨鱼惊人的螺旋肠结构了。”加州州立大学多明格斯山分校的萨曼莎·利（Samantha Leigh）说，她是论文的共同作者，“我们开发了一种新的数字化扫描方法，来扫描这些组织。通过这种方法，我们不需要对软组织进行切片，就可以非常详细地观察它们。”

　　特斯拉阀中一个巧妙的设计是一组相互连接的、不对称的泪珠状回路。在专利申请中，特斯拉描述这一串由11个流体控制组件“由扩大、迂回、突出的挡板或斗状结构组成。当流体沿某一方向通过时，除了有表面摩擦外，几乎没有阻力，但是液体如果想从相反的方向流过几乎不可能。”此外，由于特斯拉阀可以在不移动部件的情况下实现了这一点，所以它更能承受频繁操作带来的磨损。

　　特斯拉声称，相反方向的水流通过阀门的速度可以相差200倍，这可能夸大其词了。根据他的设计，纽约大学的一个科学家团队于2021年建造了一个可以实际运行的特斯拉阀，并通过测量在不同压力下，分别从两个方向通过阀门的水流量来检验这一说法。科学家们发现，水在两个方向的流动速度仅差了约一半。

　　但是，水的流速是一个关键的影响因素。当水流较慢时，阀门提供的阻力很小，但是一旦流速超过某个阈值，阀门的阻力就会增加，产生反向湍流，导致管道被涡流和破坏性水流“堵塞”。因此，根据论文共同作者利夫·莱斯托夫（Leif Ristroph）的说法，它实际上更像是一个开关，有助于平滑脉冲流，类似于交流/直流电转换器将交流电转换为直流电。事实上，莱斯托夫认为这可能正是特斯拉设计这个阀门的意图，因为他最出名的发明就是交流电机和交流/直流电转换器。

　　现在，特斯拉阀正在为研究鲨鱼不同寻常的肠道结构提供了线索。这也多亏了来自美国三所高校的科学家。鲨鱼是食物链顶端的掠食者，能以多个物种为食，因此它们在生态系统生物多样性的控制中具有很重要的作用。大多数鲨鱼的螺旋肠中含有不同数量的褶皱，它们的基本形态有以下四种：柱状、卷轴状和两种漏斗状——包括细口指前和指后的两种形式。这四种类型的肠道通常以二维草图显示，这些草图包括鲨鱼肠道解剖后的二维展开图，或来自三维结构成像的二维切片。但这些草图并不能帮助科学家们深入了解该结构是如何工作的。

　　去年，日本研究人员用3D模型重建了一种猫鲨肠道组织的显微切片图像，这让他们得以一瞥卷轴状螺旋肠的解剖结构。文章的共同作者亚当·萨默斯（Adam Summers）和其在华盛顿大学富莱德港实验室（Friday Harbor Labs）的同事认为，CT扫描可能可以完成类似的工作，因为这项技术能从不同角度拍摄一系列X射线图像，然后将它们组合成 3D 图像。

　　“CT扫描是了解鲨鱼肠道三维结构为数不多的方法之一。”萨默斯说。“肠道是如此复杂，有如此多层重叠在一起，解剖会破坏组织的脉络和连接。这就像把一份卷起来的报纸剪开来阅读，报道内容没法连贯起来。”

　　萨默斯等人从洛杉矶自然历史博物馆保存的22种鲨鱼标本和先前受赠的冷冻鲨鱼标本中获得了肠道样本。这些肠道样本经解剖取出后，用去离子水冲洗干净了，里面没有任何残留物。该团队用液体填充了肠道样本，并将其冷冻干燥以保持形状，然后对它进行扫描，获得虚拟的3D模型。这让研究人员对肠道的结构有了很好的了解。

　　接下来，该团队对这四种未冷冻的肠道样本进行了多次实验。例如，研究人员让液体流过螺旋状肠道结构，发现液体沿正向流动时，通常需要大约35分钟才能通过；但是当肠道方向颠倒后，这个过程的用时会翻倍。这与去年纽约大学的特斯拉阀实验的结果一致。

　　该团队还对5条安乐死的太平洋白斑角鲨进行了实验。研究人员让不同粘度的有色液体通过螺旋肠，观察螺旋肌对液体的反应。肠道似乎减缓了食物的运动，通过重力和肠道平滑肌的收缩引导食物通过肠道。然而，肌肉收缩主要是用来混合和搅动流经的液体：这种不寻常的肠道结构足以推动任何东西移动。

　　这种奇特的肠道结构之所以会进化出来的首要原因，可能是由于鲨鱼要间隔数天甚至数周才有一顿大餐。论文作者猜测，这种不寻常的螺旋结构扩大了肠道的的表面积和体积，从而延长了食物在肠道中停留的时间。这能促使更多的营养物质被吸收，以及减少了消化食物所需的能量。

　　下一步，科学家将制造不同类型的鲨鱼肠道的3D打印模型，并进行类似的实验。“我们对绝大多数的鲨鱼以及它们大部分的生理机能，几乎是完全未知的，”萨默斯说，“每一次对自然过程的观察、内部可视化处理和解剖学调查，都展示了我们未曾想到的事情。我们需要更仔细地观察鲨鱼，尤其是需要把注意力放在鲨鱼血盆大口之外的部分，以及那些不会与人类互动的鲨鱼种类。”

　　https：//www.wired.com/story/3d-imaging-shows-shark-guts-work-like-nikola-tesla-water-valve/