撰文 | Jennifer Ouellette
翻譯 | 趙冰瑩
審校 | 白德凡
1920 年，塞爾維亞裔美籍的發明家特斯拉（Nikola Tesla）設計了一種他稱作“瓣膜導管”（valvular conduit）的管道結構，并申請了專利。這種管道的內部設計可以確保流體沿一個特定的方向流動，而無需移動部件。據最近發表在《英國皇家學會學報B輯》上的一篇論文，特斯拉閥可以作為一個模型，用于解釋食物如何通過多種鯊魚的消化系統。基于鯊魚腸道的最新 CT 掃描結果，科學家們得出結論，它們的腸道是一種天然的特斯拉閥。
“是時候使用現代技術來觀察鯊魚驚人的螺旋腸結構了。”加州州立大學多明格斯山分校的薩曼莎·利（Samantha Leigh）說，她是論文的共同作者，“我們開發了一種新的數字化掃描方法，來掃描這些組織。通過這種方法，我們不需要對軟組織進行切片，就可以非常詳細地觀察它們。”
特斯拉閥中一個巧妙的設計是一組相互連接的、不對稱的淚珠狀回路。在專利申請中，特斯拉描述這一串由11個流體控制組件“由擴大、迂回、突出的擋板或斗狀結構組成。當流體沿某一方向通過時，除了有表面摩擦外，幾乎沒有阻力，但是液體如果想從相反的方向流過幾乎不可能。”此外，由于特斯拉閥可以在不移動部件的情況下實現了這一點，所以它更能承受頻繁操作帶來的磨損。
特斯拉聲稱，相反方向的水流通過閥門的速度可以相差200倍，這可能夸大其詞了。根據他的設計，紐約大學的一個科學家團隊于2021年建造了一個可以實際運行的特斯拉閥，并通過測量在不同壓力下，分別從兩個方向通過閥門的水流量來檢驗這一說法。科學家們發現，水在兩個方向的流動速度僅差了約一半。
但是，水的流速是一個關鍵的影響因素。當水流較慢時，閥門提供的阻力很小，但是一旦流速超過某個閾值，閥門的阻力就會增加，產生反向湍流，導致管道被渦流和破壞性水流“堵塞”。因此，根據論文共同作者利夫·萊斯托夫（Leif Ristroph）的說法，它實際上更像是一個開關，有助于平滑脈沖流，類似于交流/直流電轉換器將交流電轉換為直流電。事實上，萊斯托夫認為這可能正是特斯拉設計這個閥門的意圖，因為他最出名的發明就是交流電機和交流/直流電轉換器。
現在，特斯拉閥正在為研究鯊魚不同尋常的腸道結構提供了線索。這也多虧了來自美國三所高校的科學家。鯊魚是食物鏈頂端的掠食者，能以多個物種為食，因此它們在生態系統生物多樣性的控制中具有很重要的作用。大多數鯊魚的螺旋腸中含有不同數量的褶皺，它們的基本形態有以下四種：柱狀、卷軸狀和兩種漏斗狀——包括細口指前和指后的兩種形式。這四種類型的腸道通常以二維草圖顯示，這些草圖包括鯊魚腸道解剖后的二維展開圖，或來自三維結構成像的二維切片。但這些草圖并不能幫助科學家們深入了解該結構是如何工作的。
去年，日本研究人員用3D模型重建了一種貓鯊腸道組織的顯微切片圖像，這讓他們得以一瞥卷軸狀螺旋腸的解剖結構。文章的共同作者亞當·薩默斯（Adam Summers）和其在華盛頓大學富萊德港實驗室（Friday Harbor Labs）的同事認為，CT掃描可能可以完成類似的工作，因為這項技術能從不同角度拍攝一系列X射線圖像，然后將它們組合成 3D 圖像。
“CT掃描是了解鯊魚腸道三維結構為數不多的方法之一。”薩默斯說。“腸道是如此復雜，有如此多層重疊在一起，解剖會破壞組織的脈絡和連接。這就像把一份卷起來的報紙剪開來閱讀，報道內容沒法連貫起來。”
薩默斯等人從洛杉磯自然歷史博物館保存的22種鯊魚標本和先前受贈的冷凍鯊魚標本中獲得了腸道樣本。這些腸道樣本經解剖取出后，用去離子水沖洗干凈了，里面沒有任何殘留物。該團隊用液體填充了腸道樣本，并將其冷凍干燥以保持形狀，然后對它進行掃描，獲得虛擬的3D模型。這讓研究人員對腸道的結構有了很好的了解。
接下來，該團隊對這四種未冷凍的腸道樣本進行了多次實驗。例如，研究人員讓液體流過螺旋狀腸道結構，發現液體沿正向流動時，通常需要大約35分鐘才能通過；但是當腸道方向顛倒后，這個過程的用時會翻倍。這與去年紐約大學的特斯拉閥實驗的結果一致。
該團隊還對5條安樂死的太平洋白斑角鯊進行了實驗。研究人員讓不同粘度的有色液體通過螺旋腸，觀察螺旋肌對液體的反應。腸道似乎減緩了食物的運動，通過重力和腸道平滑肌的收縮引導食物通過腸道。然而，肌肉收縮主要是用來混合和攪動流經的液體：這種不尋常的腸道結構足以推動任何東西移動。
這種奇特的腸道結構之所以會進化出來的首要原因，可能是由于鯊魚要間隔數天甚至數周才有一頓大餐。論文作者猜測，這種不尋常的螺旋結構擴大了腸道的的表面積和體積，從而延長了食物在腸道中停留的時間。這能促使更多的營養物質被吸收，以及減少了消化食物所需的能量。
下一步，科學家將制造不同類型的鯊魚腸道的3D打印模型，并進行類似的實驗。“我們對絕大多數的鯊魚以及它們大部分的生理機能，幾乎是完全未知的，”薩默斯說，“每一次對自然過程的觀察、內部可視化處理和解剖學調查，都展示了我們未曾想到的事情。我們需要更仔細地觀察鯊魚，尤其是需要把注意力放在鯊魚血盆大口之外的部分，以及那些不會與人類互動的鯊魚種類。”
https：//www.wired.com/story/3d-imaging-shows-shark-guts-work-like-nikola-tesla-water-valve/
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