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中(zhong)山大學新(xin)研(yan)究(jiu)！管(guan)蟲鰓(sai)絲(si)被(bei)動彎(wan)曲實現高(gao)效(xiao)濾食(shi)的(de)機制

更新時(shi)間：2025-12-26

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管(guan)蟲（Annelida: Sabellidae）為懸(xuan)浮(fu)濾(lv)食(shi)的(de)多毛綱動物，借(jie)助(zhu)輻(fu)射(she)狀(zhuang)鰓(sai)冠(guan)從(cong)海水(shui)中(zhong)過濾(lv)懸(xuan)浮(fu)顆(ke)粒(li)或微小(xiao)生物(wu)，維(wei)持生(sheng)長(chang)與(yu)繁殖(zhi)。“衣(yi)食(shi)住行(xing)"，關(guan)於(yu)“衣"與(yu)“住"，已(yi)有研(yan)究(jiu)團(tuan)隊揭(jie)示(shi)了(le)它們(men)借(jie)助(zhu)粘液分(fen)泌(mi)構築(zhu)管(guan)狀(zhuang)棲(qi)居(ju)結(jie)構，並在(zai)復(fu)雜(za)流場(chang)中(zhong)選擇與(yu)改(gai)造(zao)微環(huan)境。作(zuo)者(zhe)團(tuan)隊也(ye)在(zai)“行(xing)"這壹章節進行(xing)了(le)大(da)量研(yan)究(jiu)，系統(tong)解(jie)析(xi)了(le)管(guan)蟲如(ru)何(he)通過(guo)形(xing)態和(he)行(xing)為調(tiao)整(zheng)在(zai)水(shui)流環(huan)境中(zhong)實現移動和微調。將(jiang)這些章節串(chuan)聯(lian)起(qi)來，可(ke)以(yi)更清晰地看到壹個核(he)心(xin)問(wen)題——“食(shi)"為什(shen)麽(me)更值(zhi)得(de)深入(ru)？在(zai)真(zhen)實(shi)海洋(yang)裏(li)，多相顆(ke)粒(li)譜(pu)、脈(mai)動湍流與(yu)營養梯度共(gong)同(tong)作(zuo)用(yong)，管(guan)蟲鰓(sai)冠(guan)既(ji)是機械的過(guo)濾器(qi)，又承(cheng)擔(dan)著(zhe)與(yu)顆(ke)粒(li)相互作(zuo)用(yong)的微尺度物(wu)理(li)過(guo)程和(he)生理(li)響應。弄(nong)清管(guan)蟲如(ru)何(he)在(zai)這種復(fu)雜(za)耦(ou)合下(xia)保(bao)持(chi)高(gao)效(xiao)濾食(shi)，不(bu)僅(jin)是滿(man)足(zu)基(ji)礎生態學空白(bai)的(de)必要步(bu)驟(zhou)，也(ye)可(ke)能(neng)為汙染監測、生(sheng)態修(xiu)復(fu)和(he)仿生過(guo)濾器(qi)設計提供(gong)新思(si)路。

近期(qi)，中(zhong)山大學吳(wu)嘉寧副教(jiao)授(shou)團(tuan)隊揭(jie)示(shi)了(le)管(guan)蟲的(de)靈活(huo)鰓(sai)絲被動彎(wan)曲實現高(gao)效(xiao)濾食(shi)的(de)機制，為海洋(yang)濾(lv)食(shi)性(xing)生物的過(guo)濾(lv)機制提供(gong)了(le)新(xin)見解(jie)，並(bing)有望為開(kai)發仿生(sheng)水(shui)下(xia)顆(ke)粒(li)捕獲(huo)器(qi)提供(gong)新的(de)靈感。研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)以(yi)“Flexible filaments of a fan worm make filtration functionally flexible"為題(ti)發表在(zai)期(qi)刊《Cell Reports Physical Science》上。中(zhong)山大學碩士研(yan)究(jiu)生(sheng)陳(chen)欣(xin)欣(xin)為作(zuo)者(zhe)，中(zhong)山大學吳(wu)嘉寧副教(jiao)授(shou)和王劍(jian)穎副教(jiao)授(shou)為共(gong)同(tong)通訊(xun)作(zuo)者(zhe)。

管(guan)蟲是壹種(zhong)固(gu)著(zhe)型多毛類(lei)懸(xuan)浮(fu)濾(lv)食(shi)動物，通(tong)常棲息(xi)於(yu)由(you)自身分(fen)泌(mi)的粘液構(gou)成(cheng)的(de)固(gu)定(ding)粘液管(guan)中(zhong)。其(qi)鰓冠(guan)由(you)輻(fu)射(she)狀(zhuang)的(de)鰓(sai)絲(si)組成(cheng)，且(qie)鰓絲(si)兩側由(you)羽狀(zhuang)小(xiao)片（即小(xiao)羽），兼具水(shui)下(xia)呼吸(xi)與(yu)濾食(shi)的(de)雙重(zhong)功(gong)能(neng)。在(zai)復(fu)雜(za)水(shui)流環(huan)境中(zhong)，管(guan)蟲鰓(sai)絲(si)能(neng)通過(guo)適(shi)應性彎(wan)曲形(xing)態響應水(shui)流變化。環(huan)境水(shui)流速度從(cong)靜止(zhi)上(shang)升(sheng)至(zhi)約(yue)0.46 m/s時(shi)，鰓絲(si)呈現連(lian)續(xu)增(zeng)強的彎(wan)曲形(xing)態。

管(guan)蟲鰓(sai)絲(si)的(de)彎(wan)曲顯著(zhu)提高濾(lv)食(shi)效(xiao)率，同(tong)時(shi)實現基(ji)於(yu)顆(ke)粒(li)尺寸的(de)選擇性濾食(shi)。在(zai)PIV實(shi)驗(yan)和(he)多相流模(mo)擬中(zhong)，當(dang)鰓絲(si)發生彎(wan)曲時(shi)，對(dui)直(zhi)徑(jing)約(yue)3 µm顆(ke)粒(li)的捕(bu)獲(huo)數(shu)目達到212，相(xiang)對(dui)於(yu)原始(shi)靜水(shui)形(xing)態提高了(le)117%。研(yan)究(jiu)團(tuan)隊采(cai)用(yong)摩(mo)方(fang)精密(mi)面(mian)投(tou)影(ying)微立體(ti)光刻（PμSL）技術（microArch^® S240，精度：10 μm）制備了(le)管(guan)蟲彎(wan)曲鰓絲(si)樣件(jian)。

更進壹(yi)步(bu)，管(guan)蟲對(dui)小(xiao)於(yu)4 µm的顆(ke)粒(li)顯示(shi)出(chu)明(ming)顯(xian)偏好。在(zai)這壹粒(li)徑區(qu)間內，單位時(shi)間的(de)捕獲(huo)數(shu)目並不(bu)會(hui)無(wu)限(xian)增(zeng)長(chang)，而(er)是出(chu)現平(ping)臺(tai)化——即(ji)發生了(le)飽(bao)和效應，即管(guan)蟲鰓(sai)絲(si)具(ju)有尺寸選(xuan)擇性的濾食(shi)能(neng)力。

管(guan)蟲鰓(sai)絲(si)的(de)彎(wan)曲通過(guo)微尺度流場(chang)調控(kong)增(zeng)強其(qi)顆(ke)粒(li)捕獲(huo)能(neng)力和實現選(xuan)擇性過濾。當(dang)水(shui)流流過(guo)時(shi)，彎(wan)曲鰓絲(si)在(zai)其(qi)背(bei)風(feng)側誘(you)導形(xing)成(cheng)局(ju)部(bu)渦(wo)流，形(xing)成(cheng)微尺度“顆(ke)粒(li)陷阱"，延長顆(ke)粒(li)在(zai)背(bei)風(feng)區的(de)滯留(liu)概率(lv)，從(cong)而提高捕(bu)獲(huo)效(xiao)率。

與(yu)此同(tong)時(shi)，相鄰(lin)小(xiao)羽間(jian)的流體(ti)分(fen)離產(chan)生(sheng)回流區(qu)與(yu)渦(wo)流，顯(xian)著(zhu)促進微小(xiao)顆(ke)粒(li)（1-4 µm）的滯留(liu)。此外(wai)，負(fu)壓梯度進壹(yi)步(bu)將(jiang)微粒(li)驅(qu)向(xiang)滯留(liu)區域，促(cu)使(shi)顆(ke)粒(li)在(zai)靠(kao)近(jin)小(xiao)羽表(biao)面(mian)的區(qu)域聚(ju)集(ji)並(bing)增(zeng)加(jia)與(yu)鰓絲(si)的相(xiang)互作(zuo)用(yong)時(shi)間，提高捕(bu)獲(huo)效(xiao)率。因此，鰓(sai)絲(si)彎(wan)曲並非(fei)單純(chun)的(de)幾(ji)何(he)改(gai)變，而(er)是壹種(zhong)通過流場(chang)調控(kong)實(shi)現的(de)“微流體(ti)策略(lve)"，將(jiang)流體(ti)動力學與(yu)結構(gou)—表面(mian)相互作(zuo)用(yong)耦(ou)合起(qi)來，打造出(chu)高(gao)效(xiao)且(qie)有選擇性的濾食(shi)機制。

進壹(yi)步(bu)，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊還(hai)基(ji)於(yu)管(guan)蟲鰓(sai)絲(si)彎(wan)曲的高(gao)效(xiao)濾食(shi)機制，開(kai)發了(le)壹(yi)個尺寸選(xuan)擇性濾食(shi)模(mo)型，該(gai)模(mo)型(xing)可(ke)以(yi)推(tui)廣至(zhi)與(yu)管(guan)蟲壹(yi)樣具有類(lei)似(si)過(guo)濾(lv)器(qi)官的生(sheng)物，有助於(yu)預(yu)測不(bu)同(tong)水(shui)流環(huan)境中(zhong)管(guan)蟲對(dui)浮(fu)遊(you)生物(wu)和顆(ke)粒(li)有機物的攝(she)取能力(li)。該(gai)模(mo)型(xing)既可(ke)評(ping)估(gu)自然界中(zhong)扇形(xing)蠕(ru)蟲的(de)凈化能(neng)力(li)，也(ye)可(ke)用(yong)於(yu)評估(gu)受扇(shan)形(xing)蠕(ru)蟲啟發的濾(lv)食(shi)型(xing)水(shui)質監測機器(qi)人的凈化效(xiao)能(neng)。

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