神奇水熊虫:用最短的腿走出最拽的步伐

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  来源:原理

  缓步动物(tardigrade)是一类非常奇妙的微小生物,它们有一个更为人熟知的名字——水熊虫

  这是一种独特到科学家们只能将其单独归为一门的微型动物,这种动物具有种种神奇的“技能”,比如它们能在接近绝对零度的条件下生存,能承受超过水的沸点的热量,它们可以对能够致人类死亡命的辐射剂量“不屑一顾”,还可以在真空环境下轻松存活……最近有一项研究表明,哪怕是用瞬间的超高冲击压对它们进行撞击,它们也可以安然无恙。

  缓步动物(水熊虫)的行走方式很像体型是它们50万倍的昆虫。| 动图来源:Lisset Duran

  现在,在一项新的研究中,吸引了科学家们的注意的是这些身长大约只有0.5毫米的微小生物的“腿”。他们发现,缓步动物可能是地球上最小的有腿动物,它们拥有一套独特的“多功能”移动工具

  在这篇刚刚发表于《美国科学院院刊》的新研究中,研究人员通过用高速摄影记录了水熊虫行走的步态,发现水熊行走的方式与体型是其50万倍的昆虫极为相似。

  当科学家在18世纪第一次观察到缓步动物的独特的笨拙步态时,就赋予了它们“水熊虫”这个听起来有点笨笨呆呆的名号。水熊虫已经进化到可以在各种环境中移动,无论是在淡水、海洋,还是陆地上,它们都可以凭借8条粗短的腿,以一种稳健的方式四处移动。

水熊虫和它的8条粗短的腿。| 图片来源:Ralph O。 Schill/European Space Agency水熊虫和它的8条粗短的腿。| 图片来源:Ralph O。 Schill/European Space Agency

  这样的现象引起了科学家的好奇,他们想知道:为什么水熊虫能进化成为一种会走路的动物要知道,像水虫这种又小又软的动物很少有腿,它们几乎从不走路。比如大小相似的蠕虫只会四处游动,在不可预测的底质上滑动它们面团一样柔软的身体。

  在新的研究中,洛克菲勒物理与生物研究中心的研究员Jasmine Nirody和她的同事在光学显微镜下耐心地观察水熊虫。在没有受到任何人为干扰的情况下,他们观察到水熊虫有时候很冷静——它们只想在底质中漫步;但有时它们又会在看到自己喜欢的东西时就朝它跑过去。

  Nirody发现,在最悠闲的时候,水熊虫的速度大约是每秒半身长;而在全速奔跑的情况下,它们在一秒的时间内能大步向前迈出两个身体的长度

  研究人员测量了水熊虫在两个不同刚度的底质上行走时的运动学。在观测过程中,他们惊讶于水熊虫在获得动力时腿与脚下的底质的接触。他们发现,水熊虫的对侧腿之间的步调是灵活的而身体的同侧协调在各个环境下都保持不变这与在昆虫和甲壳类动物中观察到的情况尤为相似——尽管它们在大小和骨骼结构上存在显著差异。

  此外,与脊椎动物不同的是,脊椎动物的每一种速度都对应于不同的步态,而水熊虫的奔跑更像昆虫,可以在不改变其基本步态的情况下以更快的速度奔跑。此外他们还发现,当水熊虫在较软的底质上行走时,会将运动调整为“疾驰”的模式,这种策略也出现在节肢动物身上——当它们为了能够在流动的底质或颗粒底质上高效移动时。

  水熊虫为何会与体型更大、身体更硬的昆虫有着相同的移动策略呢?这其中可能隐藏着一些怎样的进化问题?

  一种可能的解释是,虽然缓步动物一直被认作为一种完全不属于任何已存在的分类的动物,但它们有可能与果蝇、蚂蚁和其他节肢动物拥有共同的祖先,甚至拥有共同的神经回路。事实上,一些科学家主张将缓步动物归类为所谓的“泛节肢动物(panarthropod)的进化支,这是一个涵盖了好几个不同的动物门的类群概念,它将昆虫、甲壳类动物、蠕虫和水熊虫都归类在一起。

  另一种可能性是,缓步动物和节肢动物之间虽然并没有共同的祖先,但这两类互不相关的生物群体各自独立地采用了相同的行走和奔跑策略,因为它们具有进化上的优势。比如若想要以如此微小的身躯在不可预知的地方移动,最好的方法可能就是像水熊虫这样——笨拙地行走。

  Nirody认为,这两种猜测同等有趣。她说:“如果是某种古老的神经系统控制了所有泛节肢动物的行走,那么有待我们发现和学习的东西一定还有很多。而另一方面,如果节肢动物和缓步动物是各自独立地发展出了相同的移动策略,那么我们就以好好研究一下为何对于不同环境下的物种来说,这种策略如此优越了。

  研究人员认为,这一发现除了能够对进化生物学和动物运动学产生影响之外,还可能对软机器人和微型机器人领域产生影响。通过研究这些微小动物在不同环境中的移动,科学家们或许能设计出可以更有效地挤进微小空间的机器人,或者是可以在微观尺度下操作的机器人。研究人员表示,缓步动物将会是研究软体动物的微小运动的一个重要窗口。

  #创作团队:

  文:糖兽

  #参考来源:

  https://www.rockefeller.edu/news/30904-the-physics-behind-a-water-bears-lumbering-gait/

  https://www.pnas.org/content/118/35/e2107289118

  #图片来源:

  封面图来源:Frank Fox, licensed under CC BY-SA 3.0 DE


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