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在黑暗中0.5秒锁定猎物,蛇是如何 “看清”的?_《环球科学》(“科学美国人”中文版)【唯一官方网站】

在黑暗中0.5秒锁定猎物,蛇是如何 “看清”的?


时间:
2021年01月21日 |
作者:
Harini Barath |
来源:
环球科学(huanqiukexue.com)

部分蛇类可以感应到猎物辐射出的热量从而在黑暗中捕猎,不过,它们是如何将热量处理为“可见的”图像的?

撰文 | 哈里尼·巴拉特(Harini Barath) 

翻译 | 张宇哲

我们知道,部分蛇类可以感应到猎物辐射出的热量从而在黑暗中捕猎,这其中包括蝮蛇和蟒蛇等等。不过,它们是如何将热量处理为“可见的”图像的?

美国休斯顿大学和罗格斯大学的研究人员提出的一种模型,或许能回答这一问题。相关研究发表于《物质》(Matter)杂志。这项研究或许还可以帮助改进将热量转化为电信号的材料,并用于传感器或能量收集等等。

漏斗状颊窝位于蛇鼻孔附近,它覆盖着一层薄薄的膜,好似一双能够感受热量的眼睛。这个结构极其敏感,即便在完全黑暗的环境中也能在半秒内锁定40厘米开外的猎物。生物学家曾在这层薄膜的神经纤维上做过检测,发现了因温度变化而被激活的带电离子通道。

尽管已经认识到这层薄膜可以快速升温,但研究人员仍然不清楚颊窝上的热量变化是如何转化为电信号,并进一步传递到大脑的。

美国休斯顿大学机械工程师普拉迪普·夏尔马(Pradeep Sharma,研究的共同作者)表示,“自然界中的确存在能够将热量转化为电信号的热电材料,不过一般很少见,往往是硬质晶体。目前科学家还没有在蛇的组织中检测到类似的晶体。但是,我们跟进研究的是一种类似于生物细胞,能够在特定环境中充当弱热电体的柔软材料。”

夏尔马和他的团队构建了一种数学模型,展示了如何在可变形的热敏材料中移动静电荷。这种材料在加热时会变厚,用它制造的薄膜可以模拟颊窝上的薄膜。大多数生物细胞(包括组成颊窝薄膜的细胞)都会在其外表面产生微弱的电压。团队研究发现,薄膜变厚会轻微改变细胞内电荷,从而产生能够被神经细胞感知的电压变化。

夏尔马和团队在真实环境中测试了这套理论模型,发现在与周围环境温度和距离一致的情况下,探测猎物的速度也和现实中的蛇一致。

在此前的研究中,耶鲁大学神经系统科学家叶连娜·格拉乔娃(Elena Gracheva,并未参与这项研究)已经证明了离子通道在蛇感应热量时的作用。如今,格拉乔娃评论道,这项关于信号转换的开创性研究“为生物学家在未来验证这项模型奠定了基础”。

夏尔马认为,这项研究还能带来新的技术:“我们可以利用相同的模型研制具有热电属性的人造材料,这类技术或许可以在材料科学领域中大放异彩。”

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