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中山大學新研究！管蟲鰓絲被動彎曲實現(xiàn)高效濾食的機制

更新時間：2025-12-26點擊次數(shù)：264
管蟲（Annelida: Sabellidae）為懸浮濾食的多毛綱動物，借助輻射狀鰓冠從海水中過濾懸浮顆?；蛭⑿∩?，維持生長與繁殖?！耙率匙⌒?，關于“衣"與“住"，已有研究團隊揭示了它們借助粘液分泌構筑管狀棲居結構，并在復雜流場中選擇與改造微環(huán)境。作者團隊也在“行"這一章節(jié)進行了大量研究，系統(tǒng)解析了管蟲如何通過形態(tài)和行為調整在水流環(huán)境中實現(xiàn)移動和微調。將這些章節(jié)串聯(lián)起來，可以更清晰地看到一個核心問題——“食"為什么更值得深入？在真實海洋里，多相顆粒譜、脈動湍流與營養(yǎng)梯度共同作用，管蟲鰓冠既是機械的過濾器，又承擔著與顆粒相互作用的微尺度物理過程和生理響應。弄清管蟲如何在這種復雜耦合下保持高效濾食，不僅是滿足基礎生態(tài)學空白的必要步驟，也可能為污染監(jiān)測、生態(tài)修復和仿生過濾器設計提供新思路。

近期，中山大學吳嘉寧副教授團隊揭示了管蟲的靈活鰓絲被動彎曲實現(xiàn)高效濾食的機制，為海洋濾食性生物的過濾機制提供了新見解，并有望為開發(fā)仿生水下顆粒捕獲器提供新的靈感。研究成果以“Flexible filaments of a fan worm make filtration functionally flexible"為題發(fā)表在期刊《Cell Reports Physical Science》上。中山大學碩士研究生陳欣欣為作者，中山大學吳嘉寧副教授和王劍穎副教授為共同通訊作者。

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管蟲是一種固著型多毛類懸浮濾食動物，通常棲息于由自身分泌的粘液構成的固定粘液管中。其鰓冠由輻射狀的鰓絲組成，且鰓絲兩側由羽狀小片（即小羽），兼具水下呼吸與濾食的雙重功能。在復雜水流環(huán)境中，管蟲鰓絲能通過適應性彎曲形態(tài)響應水流變化。環(huán)境水流速度從靜止上升至約0.46 m/s時，鰓絲呈現(xiàn)連續(xù)增強的彎曲形態(tài)。

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管蟲鰓絲的彎曲顯著提高濾食效率，同時實現(xiàn)基于顆粒尺寸的選擇性濾食。在PIV實驗和多相流模擬中，當鰓絲發(fā)生彎曲時，對直徑約3 µm顆粒的捕獲數(shù)目達到212，相對于原始靜水形態(tài)提高了117%。研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（microArch® S240，精度：10 μm）制備了管蟲彎曲鰓絲樣件。

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更進一步，管蟲對小于4 µm的顆粒顯示出明顯偏好。在這一粒徑區(qū)間內，單位時間的捕獲數(shù)目并不會無限增長，而是出現(xiàn)平臺化——即發(fā)生了飽和效應，即管蟲鰓絲具有尺寸選擇性的濾食能力。

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管蟲鰓絲的彎曲通過微尺度流場調控增強其顆粒捕獲能力和實現(xiàn)選擇性過濾。當水流流過時，彎曲鰓絲在其背風側誘導形成局部渦流，形成微尺度“顆粒陷阱"，延長顆粒在背風區(qū)的滯留概率，從而提高捕獲效率。

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與此同時，相鄰小羽間的流體分離產生回流區(qū)與渦流，顯著促進微小顆粒（1-4 µm）的滯留。此外，負壓梯度進一步將微粒驅向滯留區(qū)域，促使顆粒在靠近小羽表面的區(qū)域聚集并增加與鰓絲的相互作用時間，提高捕獲效率。因此，鰓絲彎曲并非單純的幾何改變，而是一種通過流場調控實現(xiàn)的“微流體策略"，將流體動力學與結構—表面相互作用耦合起來，打造出高效且有選擇性的濾食機制。

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進一步，研究團隊還基于管蟲鰓絲彎曲的高效濾食機制，開發(fā)了一個尺寸選擇性濾食模型，該模型可以推廣至與管蟲一樣具有類似過濾器官的生物，有助于預測不同水流環(huán)境中管蟲對浮游生物和顆粒有機物的攝取能力。該模型既可評估自然界中扇形蠕蟲的凈化能力，也可用于評估受扇形蠕蟲啟發(fā)的濾食型水質監(jiān)測機器人的凈化效能。