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海洋中的神秘生物,掌握了超越人類的光纖技術

發布時間:2025-01-17 05:51:48 來源:科普中國 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

如果你在赤道附近潛入溫暖的印度洋-太平洋海域,運氣好的話,你可以在淺海的沙子或珊瑚礁中發現一些長著愛心形狀的貝類生物,它們叫作心鳥蛤(Corculum cardissa and spp.)。它們漂亮的外殼和你在海邊撿到的扇貝,飯桌上吃的生蠔、蛤蜊,甚至路邊的石頭一樣,主要成分都是碳酸鈣

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一些心鳥蛤(圖片來源:Dakota McCoy)

心鳥蛤的外殼有兩面,一面總是朝著太陽,一面總是朝著沙子,中間夾著它們柔軟的身體。如果朝太陽的那一面臟了,心鳥蛤就會從殼里伸出自己叫作“足”的結構,清理殼上的沙土。這些外殼看似結構簡單,但當科學家用高精度顯微鏡觀察它們時,卻驚掉了下巴。

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心鳥蛤總是一面向陽,一面向沙(圖片來源:McCoy et al, 2024)

他們發現,心鳥蛤朝太陽的那一面外殼,表面附著著密密麻麻的透明“小窗”,平均尺寸不到 1 平方毫米。這些“小窗”下藏著一束一束的、緊密排列的、比頭發絲還細的纖維結構,其成分為碳酸鈣的一種透明結晶形式——文石。如果朝這些纖維的一端射入一束光,光就會沿著纖維傳播,從另一側射出。而且從這些纖維的一端,還能清晰地看到位于另一端的圖像,分辨率極高:在每毫米長度內,甚至能分辨出 100 條線。

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掃描電鏡下心鳥蛤外殼上的光纜結構(圖片來源:McCoy et al, 2024)

這種結構,讓科學家感到既陌生又熟悉。陌生是因為他們此前從未在自然界中發現過類似的結構,熟悉是因為它像極了現代人類科技文明中隨處可見的光纜(fiber optic cables)的結構。

沒有光纖就沒有現在

一百多年前,人類最先進的遠距離信息傳輸技術還是電話和電報。人們通過電話或電報發出的信息會被轉化為電信號,然后以銅質電線為載體傳播到另一個地方。但銅質電線能傳播的信息量和距離十分有限,電信號容易衰弱丟失,還十分容易受到周圍電磁場等的影響。

后來,人們發明了光纖。從此,更大規模、更穩定、距離更遠的電子信息傳播技術成為可能。

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光纖 圖片來源:BigRiz

光纖的核心通常是由玻璃或塑料等透明介質構成的細長管道,能允許光在其內傳播。當一束光以特定角度進入光纖內部,會在內壁上不斷發生全反射,并沿著光纖一直向前傳播。而如果我們將進入光纖的光束轉化為一段一段的光脈沖,那就可以讓它們帶上二進制的信息(比如將有光和無光時分別編碼為 1 和 0),沿著光纖傳播到很遠的地方。

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光纖內光通過全反射的方式傳播(圖片來源:Timwether - CC BY-SA 3.0)

將許多光纖集合在一起,就成了光纜。相比于由銅質電線組成的電纜,光纜可以一次性傳輸更大量的信息,傳播距離也更遠,還不易受外界影響。因此,光纜讓人類世界有了更多的可能。如今的互聯網、電視信號等的傳播都離不開光纜。光纜將人類世界的信息連接了起來,有些人工鋪設的光纜,甚至可以橫跨整個大洋

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光纜的結構示意(圖片來源:Srleffler (talk) - CC BY-SA 3.0)

可以說,沒有光纖和光纜,我們或許沒法擁有能聯通全球的互聯網,人類現代的數字文明或許也沒法存在。

但就是這樣一種足以代表人類先進高科技文明的技術,卻出現在了心鳥蛤這樣簡單的軟體動物體內。這到底是瘋狂科學家的離譜實驗,還是外星人或海底神秘文明的殘留痕跡?

為了室友裝光纜

當然都不是,這只是生命的奇跡而已。心鳥蛤殼上的“光纜”,是它們在演化過程中自己形成的,而這些光纜的作用不容小覷。

和蛤蜊、牡蠣、貽貝一樣,心鳥蛤是屬于雙殼綱的軟體動物。通常來說,動物都需要自己去尋找食物來維持生存。但在雙殼綱動物中,有兩類獨立演化出了與光合作用藻類共生的能力,一類叫作大硨磲(Tridacninae),另一類便是心鳥蛤。

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雙殼類動物的身體結構(圖片來源:Scientific American, 1979)

大硨磲和心鳥蛤的外套膜、鰓和足里生活著許多微小的甲藻(Dinoflagellates),它們的外殼可以給甲藻提供穩定安全的生存環境,它們產生的二氧化碳等還可以被甲藻作為光合作用的原料。而作為回報,甲藻通過光合作用制造的糖,也成為了大硨磲和心鳥蛤重要的營養來源。

讀到這里,有沒有感覺有一絲不對勁?甲藻需要光合作用,但它們卻生活在大硨磲和心鳥蛤的殼里面,那里面的環境不得黑黢黢的?甲藻光合作用所需的光又從哪里來呢?

對此,大硨磲的解決方案比較簡單直接,它們會時不時地打開自己的殼,露出里面柔軟的身體,讓生活在里面的甲藻沐浴到陽光,從而保證光合作用的進行。一些大硨磲物種甚至會主動將外套膜伸出外殼,以獲取更多陽光。

但這也會讓大硨磲柔軟的身體失去堅硬外殼的保護,一不小心就會被捕食者撕爛或吃掉。相比之下,心鳥蛤則采用了更安全、也更加高級的方法——在外殼上裝光纜

教教人類吧

在兩個月前發表于《自然·通訊》(Nature Communications)上的一項研究中,研究者采用高精度的激光掃描顯微鏡觀察了心鳥蛤的殼。他們首先發現,殼上每個“小窗”下面,都有一個比沙子還小的半透明小凸起,成分依然是文石。計算機模擬表明,這些凸起起到了透鏡的作用,能夠將射入外殼“小窗”的陽光聚集成光束,送向心鳥蛤體內的甲藻。

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凸起透鏡在心鳥蛤與甲藻共生中的作用(圖片來源:McCoy et al, 2024)

隨后,研究者換用掃描電鏡繼續觀察這些“小窗”的精細結構,驚喜地發現了其中的“光纜”結構——這也是首次在自然界發現光纜結構。“在顯微鏡下,大多數心鳥蛤的外殼都具有分層結構,片狀文石在不同方向堆疊,有些像花式砌磚。”論文第一作者,美國芝加哥大學的助理教授達科塔·麥科伊(Dakota McCoy)說,“然而,在殼上的‘小窗’區域,文石順著陽光射入的方向,排列成了緊密的細如發絲的纖維,而非片狀結構。”

此外,這些光纖能夠讓陽光中的紅光和藍光——光合作用最需要的光——進入心鳥蛤的內部,還能選擇性地避免會損傷 DNA 的紫外線進入。“光纜和透鏡共同構成了一個系統,可以過濾掉不適宜波長的光,卻能聚焦光合作用所需波長的光,使其能足夠深入外殼內部,讓共生的甲藻獲得盡可能好的光照環境。”這項研究的作者之一,美國杜克大學的生物學教授桑克·約翰遜(S?nke Johnsen)說。

計算機模擬還顯示,這些光纜的大小、形狀和排列方式是最優的設計。在同等條件下,這樣的設計能夠將更多的光線送到心鳥蛤殼內。約翰遜表示,有朝一日,這些心鳥蛤或許能為人類納米級光纜的設計提供新靈感,創造出能遠距離傳播且不容易丟失信號的納米級光纜。

那么下一步,心鳥蛤是不是該開發 Wi-Fi 技術了?

參考文獻

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-024-53110-x

[2]https://today.duke.edu/2024/12/build-better-fiber-optic-cables-ask-clam

[3]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/brv.12430

[4]https://journals.ku.edu/treatiseonline/article/view/6554/5996

[5]https://www.youtube.com/watch?v=gx7muAYinPQ&t=1s

[6]https://www.youtube.com/watch?v=zAVsTubdd_Q

策劃制作

來源丨環球科學(ID:huanqiukexue)

責編丨何通

審校丨徐來、林林

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