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      世界上最快的生物也可能是最小的生物之一
      
			
      
				2019-04-02 09:19:15
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      要求大多數(shù)人識別地球上最快的動物，他們會建議獵豹，獵鷹甚至是旗魚。喬治亞理工學院助理教授薩德·巴姆拉(Saad Bhamla)希望加入Spirostomum ambiguum，這是一種微小的單細胞原生動物，能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速，同時收縮它的蠕蟲狀體。
      

      世界上最快的生物也可能是最小的生物之一
      

      許多湖泊和池塘都很常見，Spirostomum通常使用稱為纖毛的微小毛發(fā)。但它對速度的要求涉及極其迅速的加速，同時在受到驚嚇時收縮身體。這種生物可以在幾毫秒內(nèi)將身體縮短60%以上，從4毫米扁平的緞帶變成美式橄欖球的形狀 - 所有這些都沒有人類使用的那種肌肉。
      

      它如何做到這一點，以及如何在不破壞脆弱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下做到這一點，是Bhamla剛剛收到的為期四年的國家科學基金會(NSF)撥款的一部分。這些答案的物理和數(shù)學可以幫助推進納米技術(shù)的發(fā)展，并加速新一代的機器人，這些機器人幾乎不能用肉眼看到。
      

      “作為工程師，我們喜歡看大自然如何應(yīng)對重大挑戰(zhàn)，”佐治亞理工學院化學與生物分子工程學院助理教授Bhamla說。“我們一直在思考如何制作這些微小的東西，我們看到它們在自然界中肆虐。如果我們能夠理解它們是如何工作的，也許信息可以跨越以填補小型機器人的空白，小型機器人可以快速移動而幾乎不用能量。 “
      

      人體肌肉依賴于肌動蛋白和肌球蛋白的活性，但像這種原生動物這樣的小動物的運動歸功于機械世界中更常見的超分子彈簧，閂鎖和馬達。
      

      “如果他們只有肌動蛋白和肌球蛋白組成我們的肌肉，他們就無法產(chǎn)生足夠的力來實際快速移動，”Bhamla補充說。“它們越小，它們就越快 - 達到每秒200米的平方。這真的不在圖表之列。”
      

      Bhamla擁有博士學位。在斯坦福大學的化學工程專業(yè)，他是一個研究非常小動物世界的研究小組的成員。他和他的合作者在池塘和湖泊中發(fā)現(xiàn)的單細胞生物挑戰(zhàn)了他對單細胞意味著什么的期望。
      

      “我早期的生物學訓練表明，細胞只是簡單的液體袋，不會做太多但組成更有趣的組織，”Bhamla說。“Spirostomum與我們習以為常的細胞完全不同。”
      

      作為NSF聯(lián)合分子細胞生物學(MCB)和生命物理系統(tǒng)(POLS)計劃的一部分，Bhamla和他的學生正在使用數(shù)學和物理學的語言來描述Spirostomum的活動。
      

      “例如，我們想知道活細胞加速的基本限制是什么，”他說。“我們想要繪制這個生物所做的一切，并在計算機中對其進行建模，采用工程方法。我們想要了解單個細胞如何實現(xiàn)如此顯著的加速度并使用分子彈簧來放大其功率輸出。”
      

      研究人員學到的東西可能對未來的小型機器人有用，這些機器人無法利用這些技術(shù)進行大型機器的推進和抓取。除了制造非常小的機器人的簡單機械挑戰(zhàn)之外，工程師將不得不面對能量密度限制 - Spirostomum似乎已經(jīng)克服了這些限制。
      

      這么小的機器人也會相當脆弱，但是研究人員通過對原生動物進行凝視觀察到的恰恰相反。
      

      “它內(nèi)部有細胞器，DNA和精細的細胞骨架成分，”Bhamla指出。“我們希望了解它們?nèi)绾尾槐豢焖賶嚎s損壞，因為內(nèi)部壓力必須迅速增加。這可能會促使我們了解真正強大的生物材料在極端壓力和壓力下的表現(xiàn)。”
      

      Spirostomum等原生動物在水體中隨處可見，NSF獎項的一部分將資助與K-12學生分享這個小小的世界。Bhamla已經(jīng)與亞特蘭大北部Forsyth縣Lambert高中的科學教師Janet Standeven建立了合作關(guān)系。五名高中生今年夏天在佐治亞理工學院實驗室工作，以了解有關(guān)微生物世界的更多信息。
      

      “為了找到這些充滿好奇和瘋狂的細胞，你不需要走遠，”Bhamla說。“我們只是去一個池塘，收集樣品并在顯微鏡下觀察它們。天空是你可以推動這一點的極限，而高中學生有很多能夠得到正確的指導。”
      
			

			
        
      
			
      
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