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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
下一篇：返回列表
【免責聲明】本文轉載自網絡，與科技網無關。科技網站對文中陳述、觀點判斷保持中立，不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考，并請自行承擔全部責任。