【Gene 愛聊科學】鮪魚鰭內的精巧淋巴液壓系統,對水下機器人的設計啟發

讓鮪魚活著表現高超泳姿,比把牠們宰殺吃進肚子,對人類福祉有更大的幫助。
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鮪魚刺身(生魚片)是很受歡迎的日本料理,價格不斐,但這也造成牠們的浩劫。世界各地漁民們的過度捕撈,已對牠們的種群數量造成嚴重威脅,個體單位重量也不斷下跌,其中最明顯的莫過於北方藍鰭鮪(Thunnus thynnus,台灣稱為黑鮪),超過九成的個體已經消失。

鮪魚竟然可以保持體溫恆定

和大部分魚肉不同,鮪魚的肉色是為紅色,因為鮪魚的肌肉中含有了大量的肌紅蛋白。魚類一般上是變溫動物,可是死背硬記的知識有時候無助我們正確地理解大自然。北方藍鰭鮪可以利用泳肌的代謝,使體內血液的溫度高於外界的水溫。為了保持肌肉溫暖,使牠們能夠有效地活動,鮪魚會使用熱逆流交換系統,將動脈中的熱量轉移到靜脈的血液中,防止熱量流失到水中。

這項生理功能使鮪魚能夠適應較大的水溫範圍,從而能夠生存在溫度較低的深海水域。同時較高的體溫能保證游泳速度快,瞬時時速可達 160 公里,平均時速約 60-80 公里,簡直就是海中的噴射機。換句話說,鮪魚只要一直快速遊動,就能保持體溫恆定,而鮪魚活著時是沒有不游動的。鮪魚的遊程很遠,過去曾經在日本近海發現過從美國加州趴趴遊過去的鮪魚。

聽到液壓,你會想到的是?

鮪魚除了特殊的生理功能,還有什麼其他解剖構造等,讓牠們成為游泳高手呢?如同噴射機有精心配置的機翼和尾翼,以確保靈巧的機動性和燃油效率,藍鰭鮪也需要最大限度地去控制產生推進力和穩定性的構造,而鮪魚能夠產生形狀變化的魚鰭,對於開發水下和空中機動系統的工程師來說,是非常具有參考意義的。

美國史丹佛大學的 Vadim Pavlov 和 Barbara A. Block 等人在《科學》(Science)的最新發表中,揭示了鮪魚鰭中精巧的液壓系統 [1]!這是由淋巴系統演化成的特殊構造,來提供鮪魚無比的機動性和精確性,並提供穩定性,防止鮪魚在主動游泳期間滾動和偏轉。

Barbara Block 已在史丹佛大學的霍金斯研究站研究了鮪魚超過廿年。他們在史丹佛大學的大學部學生專題計畫中,在水族館的展示水缸中拍攝了大量鮪魚游泳和覓食的影片 [2]。

利用那些多年拍攝的影片,他們研究了太平洋藍鰭鮪和黃鰭鮪在水缸中游泳時的解剖、生理、運動和魚鰭動作。他們在稱為中間鰭的大型鐮刀狀鰭之中,發現了存在有生物液壓系統之證據,中間鰭位於鮪魚身體上方和下方的中心。原本他們只是在鰭的基部發現了腔室中充滿液體,進一步研究才發現箇中奧妙。

生物液壓系統

該液壓系統是一種結合了淋巴系統、骨骼肌和鰭骨的複雜肌肉-血管複合體,能夠產生液壓以精細地調整魚鰭的形狀,在產生高度的機動性的同時,也提供額外的穩定性。該肌肉-血管複合體由典型液壓系統的三個要素組成:可用作液壓泵以壓迫淋巴液的肌肉、用於引導和控制該系統的血管,以及用作致動器的鰭骨把壓力能量轉換成機械能。

一般上,硬骨魚的淋巴系統在發育上與哺乳動物淋巴系統非常相似,也涉及了免疫反應和體液動態平衡。利用流體結合上肌肉排列來施力的方法,已經在各種無脊椎動物(包括蠕蟲、軟體動物、節肢動物和刺胞動物)中發現,哺乳動物的陰莖也是一種液壓系統。雖然淋巴系統對免疫功能至關重要,但淋巴液以前未被發現用作運動中的液壓液體。

鮪魚在演化上把這個原有的淋巴系統,打造成能在游泳流體動力學中起作用的工具。他們還在其他鯖科的魚中,包括黃鰭鮪、線狐鰹和西班牙鯖魚中發現了類似的肌肉-血管複合體,但在太平洋鯖魚中沒有發現。雖然鯖科的魚類演化系譜仍有爭議,但是這個發現支持了黃鰭鮪、線狐鰹和西班牙鯖魚的演化關係較接近的粒線體 DNA 研究,意味著這些有淋巴液壓系統的魚是承接了祖先演化出的構造。

仿生學:工程師厲害還是演化厲害?

美國麻省理工學院的機械工程學家 Michael S. Triantafyllou 表示,這個研究可能可以為工程師提供設計致動器和穩定器的靈感 [3]。他指出,仿生學的研究常發現,動物發展出的系統通常與工程師想出的解決方案完全不同。然而,當動物採用類似於工程師能想出的設計時,表示那樣的設計是很重要的,因為殊途同歸就意味著,那樣的系統很可能已達到最佳化,更應該探究其所以然。

Vadim Pavlov 等人發現鮪魚就是採用類似於工程師設計的液壓系統(見圖)。鮪魚的體型大小和遊泳速度,與目前在世界範圍內廣泛應用於製圖和勘測海洋並檢查水下結構的水下自動機器人載具相似,它們的長度約 2 公尺、正常巡航速度為 2 公尺/秒,這些水下機器人載具受到與鮪魚相似的流力,但水下機器人載具的機動性卻大輸鮪魚。

通過用淋巴液壓系統改變魚鰭的掠角(Sweep angle),鮪魚可以在瞬間運動中動態地改變其穩定性質。Michael Triantafyllou 認為,使用類似鮪魚的液壓系統,能夠長時間維持力量的傳導,是設計水下機器人的好方法,可用於提高水下機器人載具的機動性和穩定性。

要把該系統應用於水下機器人載具,還需要進一步研究魚鰭的動態變化如何影響機動性。這樣的高機動性和穩定性是很誘人的,顯示了我們能從生物學習到意想不到的有用知識。可見讓鮪魚活著表現高超泳姿,比把牠們宰殺吃進肚子,對人類福祉有更大的幫助。

參考文獻:

1) V. Pavlov et al. Hydraulic control of tuna fins: A role for the lymphatic system in vertebrate locomotion. Science 357, 310 (2017).

2) T. Kubota. Stanford researchers discover biological hydraulic system in tuna fins. Stanford News. July 20, 2017. 

3) M. S. Triantafyllou. Tuna fin hydraulics inspire aquatic robotics. Science 357, 251 (2017).