黄貂鱼科学的进步

极光欣色 2024-07-19 20:12:47

对于一只被挤压的动物来说,黄貂鱼出人意料地平静。这条射线大约有餐盘那么大,它被淹没在一个冰柜大小的水箱里的沙子里;就连她头顶上那双金色的眼睛也被埋在了泥沙里。当加州州立大学长滩分校(CSULB)的研究员本·帕尔曼(Ben Perlman)小心翼翼地从她斑纹的棕色身体中挤出沙子时,她一动不动,这把清洁刀为科学家提供了一点保护,使她免受黄貂鱼尾巴中间露出的看起来很危险的倒刺的伤害。

“很抱歉打扰你,”帕尔曼低声说。

六名本科生从他的身后望过去,卡莉·布伦纳(Carly Brenner)走上前,手里拿着一只粘在PVC管上的3d打印硅胶人脚。

“再靠近一点,再靠近一点,”帕尔曼指导道,布伦纳把脚从黄貂鱼身上移过来几厘米。“去吧,”他说,布伦纳瞄准了黄貂鱼的左胸鳍,用那只灵活的脚踩了下去。

射线根本不动。

“没有回应,”帕尔曼说。这一结果将被记录在他的实验室对黄貂鱼攻击原因的研究中——帕尔曼希望这项科学最终能帮助人们避免被黄貂鱼的锯齿状毒刺刺痛,每个毒刺的长度大约是一个成年人的大脚趾。

珀尔曼在加州长滩的实验室——被恰当地称为STABB,即黄貂鱼和蝴蝶生物力学实验室(蝴蝶项目目前暂停)——探索黄貂鱼是如何以及为什么这样移动和行为的。海豹海滩是该市最受欢迎的冲浪地点之一,距离实验室五公里,俗称雷湾。黄貂鱼喜欢聚集在圣盖博河口平静温暖的水域,救生员记录每年有500多起被鳐鱼刺伤的痛苦事件。帕尔曼说,研究鳐鱼的行为和它们的刺痛过程可以为研究人类与实验室所谓的“危险煎饼”的互动打开一扇新的窗口。

他的研究重点是圆形鳐鱼——栖息在加州水域的最丰富的鳐鱼物种。它们的行为也使它们对毫无戒心的路人来说是最危险的。当其他鳐鱼一有危险的迹象就迅速逃跑时,圆鳐鱼会埋在沙子里,甚至在捕食者(如幼年大白鲨)或被认为是捕食者(如人类)经过时屏住呼吸,依靠它们斑纹的颜色作为伪装。正是这种保护行为使它们更有可能被踩到,这也解释了为什么加州绝大多数黄貂鱼受伤的原因是圆鳐,而不是生活在该地区的蝙蝠鳐或钻石黄貂鱼。

黄貂鱼的倒刺是一种皮肤小齿,就像牙齿一样,长在尾巴上,可以随意摆动。在攻击中,动物从其中一个倒刺基部的腺细胞中释放出毒素。毒素沿着粘膜涂层传播,并通过穿刺伤口注入到受者体内。一些鳐鱼的倒刺上有锯齿状的凹槽,这可以使倒刺刺入攻击者的皮肤。

CSULB鲨鱼实验室的鲨鱼生物学家克里斯·洛估计,南加州每年约有1万人被黄貂鱼伤害。圆鳐鱼就像幼年白鲨的汉堡肉饼,这也是洛和他的鲨鱼科学家同事们对黄貂鱼的分布和种群非常感兴趣的原因之一。鲨鱼实验室成立于20世纪60年代,多年来一直在研究黄貂鱼,但从未研究过它们的刺痛机制。

"研究鳐鱼的行为和它们的刺痛过程可以为人类与帕尔曼实验室所说的“危险煎饼”的互动打开一扇新的窗口。"

与此同时,帕尔曼并没有开始研究鳐鱼——他是一名鱼类生物力学家,研究的是海带森林中的鲈鱼是如何游泳的,以及热带地区的两栖鱼类是如何利用肌肉将自己拖出水面的。他还研究了鸟类的翅膀在飞行过程中是如何变形的,以及牛蛙是如何让它们的肌腱负重以增加跳跃力的。2018年,他在CSULB担任教学教授,并离开研究几年。

然后,在2021年秋天,有人敲了他的门。洛有一个问题。他想知道帕尔曼是否可以帮助测试一种用于冲浪靴的新材料,该材料是由一位发明家开发的,他的孩子害怕光线,他的合作者在材料科学方面具有专业知识。这些靴子能像设计的那样防止黄貂鱼的袭击吗?在从一个爱好冲浪的匿名捐赠者那里得到资金后,帕尔曼雇佣了一名学生,他们一起从海豹滩收集射线作为实验对象。

为了弄清楚这种材料是否能抵御攻击,帕尔曼首先必须了解黄貂鱼防御行为的动力学。他最初的研究目标是在相机上捕捉打击,并使用镜头来测量速度和加速度,然后他可以用它来计算力。他从幽灵万圣节商店买了一只没有实体的脚,在里面填满沙子,然后把它粘在一根塑料管上,模仿人类的脚进行试验。“这是一个很好的起点,”帕尔曼说。

本·帕尔曼(Ben Perlman)用万圣节僵尸的脚开始了圆形射线攻击的实验。他已经升级为3d打印模型

帕尔曼和学生崔妮蒂·洛萨诺一起行走,她在坦克之间传送光线

为了更多地了解是什么让鳐鱼决定攻击,他设计了一个实验,将鳐鱼的身体分为四个不同的区域——身体中部、左胸鳍、右胸鳍和鼻子(基本上相当于鼻子)。他的团队使用僵尸脚——在2023年升级为3d打印的硅胶脚,因为它更逼真——“踩”到身体的不同部位,并记录动物的反应。

最初的发现是显而易见的:只有当有人踩到它们所有器官所在的身体中部时,光线才会照射到它们。这使得他们有85%的命中率。踩在它们身上只会让它们游走;鼻子上的跳动也不会引起反应。无论鳐鱼的大小、年龄或性别如何,研究结果都是一致的。

实验室也一直在研究Lowe带给Perlman的新材料——橡胶复合衬里的氯丁橡胶——看看它是否能承受黄貂鱼撞击的力量。研究人员剪掉倒刺——类似于剪掉指甲,因为基于角蛋白的倒刺会在几个月内重新生长——然后用机器用越来越大的压力将它们压入材料中。到目前为止,他们已经找到了抵抗大多数黄貂鱼力量的材料。(另一家希望制造防射线靴子的公司今年也推出了一款使用类似材料的产品。)

最初的发现是显而易见的:只有当有人踩到它们所有器官所在的身体中部时,光线才会照射到它们。

加州大学欧文分校(University of California, Irvine)研究黄貂鱼形态的鱼类生物学家克里斯·马丁内斯(Chris Martinez)说,除了刺外,一些黄貂鱼还有巨大的、带刺的鳞状小齿,可以提供被动保护。他说,刺可以刺穿皮肤,让捕食者的生活变得不愉快,但刺是一种额外的东西:动物可以主动控制的目标武器,以造成伤害。

马丁内斯说,帕尔曼的作品“真的很棒,而且绝对与迎合南加州海滩爱好者的需求非常相关。”他计划在未来与帕尔曼合作,调查罢工的神经肌肉基础。

帕尔曼说,最终的希望是,这项研究将转化为海滩上人们的最佳实践。几十年来,南加州的冲浪者一直在使用一种叫做“黄貂鱼拖步”的技术,他们在地面上走一小步,而不是大步,以警告可能被埋在沙子里的黄貂鱼。

帕尔曼说,他的实验在科学上支持了黄貂鱼的游动——当有人走几步时,他们不会接触到鳐鱼的身体中部,所以他们不会被击中。沙子的震动也能让动物有机会转移到安全的地方。珀尔曼说,这些射线“要么逃逸,要么没有反应”。

他很清楚什么是危险的。去年夏天,他在用手术刀在鳐鱼身上做小的识别切口(随着切口的生长,每隔几个月就要重新做一次)时,用网子夹住鳐鱼的尾巴,这时他的手滑了一下,鳐鱼的尾巴突然摆动,击中了他手腕上的一条动脉。血立刻喷得到处都是,疼痛是“7分半(满分10分)”。他使用了唯一已知的治疗方法,那就是把他的手浸入热水中使毒药变性。过了将近两个小时疼痛才消退。他的手腕上还有一道伤疤。

“鳐鱼没有得到那么多的关注,因为它们没有那么大,它们没有像一些大型鲨鱼那样的大牙齿。但比起大鲨鱼,你更有可能受到它们的伤害。”

实验室现在正忙于一系列的研究活动,这些活动可以让帕尔曼和他的队友在接下来的十年里忙个不停。他们正在测试脚的大小如何影响黄貂鱼袭击的可能性,看看更轻、更小的人是否不太可能被蜇到。到目前为止,脚的大小似乎对射线的反应没有影响。在接下来的几个月里,他们将在黑暗中和不同的水温中重复踩点实验。实验室里有18条鳐鱼,动物们在两次实验之间至少有两天的休息时间,以确保它们没有受到条件反射。

研究人员也在研究鳐鱼,因为它们把自己埋在沙子里,以了解这些动物为什么以及如何移动沙粒。最终,该实验室还将使用微型ct扫描的3D成像来观察不同圆形射线倒刺上锯齿的曲率、锐度和角度。这将有助于他们了解物种内部甚至个体内部的变化:有时,在被剪掉后,倒刺会以不同的形状或大小重新长出来。

马丁内斯说,在加利福尼亚人的意识中,鲨鱼往往比鳐鱼更大。“鳐鱼没有得到那么多的关注,因为它们没有那么大,它们没有像一些大型鲨鱼那样的大牙齿,”他说。“但你更有可能被它们伤害,而不是被大鲨鱼伤害。”数据证明了他的观点:2022年,全球发生了57起鲨鱼袭击事件,黄貂鱼受伤的人数可能达到数万人。

在遇到硅胶脚之后,12号黄貂鱼在另一个胸鳍被踩到之前休息了10分钟。珀尔曼看着她把自己埋回沙子里。他说,迈出象征性的一步,帮助加州同胞避免遭受伤害,感觉很好。最终,如果冲浪者和游泳者可以利用他的研究来避免危险的煎饼,那么每个人在海滩上的时间——包括阳光——将会更加和谐。

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