使用DeepPIV揭示深海中神秘的粘液结构（2020）

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2345-2

引言

写在前面 幼体海洋的原型英文单词是 arvaceans 学名为:尾海鞘纲 文中的幼体海洋指的便是尾海鞘纲,是尾索动物亚门的一个纲，又名幼形纲。体小如蝌蚪，自由游泳生活，一对鳃裂，具背神经管和尾索。如尾海鞘、住囊虫。现存60多种，中国四大海域都有此类动物。

  许多动物建造复杂的结构来帮助它们生存，但是很少动物完全用动物创造的材料建造1，2。在海洋中层水域，许多动物容易分泌粘液结构，并具有许多重要功能3，4。然而，由于在深海中观察它们的挑战，对这些黏液样结构知之甚少。在这些粘液形式中，幼体海洋的“房子”是自然界的奇迹，在海洋的阴阳魔界，巨大的幼体海洋分泌并建造粘液过滤结构，其直径可达1 m⁶以上。在这里，我们描述了原位激光成像技术7，重建粘液形态的三维模型。这些模型提供了巨型幼体海洋房屋的高分辨率视图，并阐明了房屋结构在食物捕获和躲避捕食者中的作用。现在有了研究遍布海洋的粘液结构的工具，我们可以了解一些自然界最复杂的形式。
  在不断发展的生物灵感设计领域，许多技术创新都是从自然界中发现的形式发展而来的。有些动物建造结构来保护自己免受恶劣天气和捕食，而其他动物建造结构来实现重要功能，如进食1。尽管这些结构中有许多是由已发现的材料制成的，但一些动物(例如，陆地蜘蛛和一些海洋鱼类和无脊椎动物)会分泌特殊的化合物，并将其塑造成复杂的结构2，3，5。在海洋中层水域，多种动物很容易分泌出黏液样结构，这种结构具有许多重要功能，包括收集食物4、抵御病原体和掠食者3、6、8。幼体海洋(也称为附肢动物)是分泌和居住在粘液结构(或“房屋”)中的浮游被囊动物，幼体海洋的尾巴有节奏地泵送水载颗粒通过过滤器，将食物集中到幼体海洋的口中5，9-12。作为海洋中第二丰富的中型浮游动物13-16，幼体海洋及其粘液室因此能够以亚微米至亚毫米大小的颗粒和猎物为食(例如，细菌至微型浮游动物)，从而广泛影响海洋食物网15。这些房子的非凡复杂性——以及它们选择和保留粒子的有效机制17，18——可能为未来泵送和过滤系统的生物灵感设计提供有希望的线索。幼体大小相差一个数量级。在附肢动物纲中的三个科(Fritillariidae、Kowalevskiidae和Oikopleuridae)中，物种在身体大小、形态和房屋结构方面存在差异12。较小的oikopleurids通常体长不到1厘米，它们的房子大约是两倍大12。更大的oikopleudies——被称为巨型幼体海洋(包括Bathochordaeus属)——长度可达10厘米，它们的粘液屋最大尺寸可达1米。巨型幼体出现在全球20，三种不同种类的Bathochordaeus(Bathochordaeus charon、Bathochordaeus stygius和Bathochordaeus mcnutti)19，21出现在蒙特雷湾，那里数量更多的B. mcnutti和B. stygius出现在垂直分层的水柱中19，22。巨型幼体海洋是海洋生物泵中的重要角色23，之前的研究表明它们直接促进了深海的碳循环7，22–24。
  尽管巨型幼体海洋具有重要的生态意义，但对其内部结构和流动路径知之甚少，因为在海洋中层水域进行长期观察存在挑战，缺乏定量的原位观察工具，并且难以维持圈养动物。用网取样通常导致幼体海洋的收集，而没有它们精密的过滤结构，直到进行现场观察25，才能确定巨型幼体海洋与其粘液室的关系。早期对浅的、较小的幼体(如Oikopleura属)建造房屋和滤食的研究是基于在实验室观察到的手工或网收集的标本10，26，后来保存在培养物中27-30。随着载人和机器人探索的出现，巨型幼体海洋房屋的生态已被进一步详细描述6，23，25，31。然而，调查仍然受到现有观测工具的限制，在实验室中观察大型深生活幼体的繁殖和房屋结构的尝试一直没有成功。
  为了了解巨型幼体海洋房屋的功能，必须了解它们的结构。房屋由粗网外壳组成，外壳包围着复杂的细网内壳，内壳包含食物浓缩过滤器(图1a)。所有幼虫的过滤结构都由透明粘多糖32，33构成，包括特定的oikosin结构蛋白，在Oikopleura dioica中，这些蛋白与纤维素微纤维的支架相互作用27，34。除了大小之外，巨型幼体和小型幼体的外壳结构和功能也有明显的不同，12两份关于Bathochordaeus外壳的报告对内层外壳的结构和外层外壳的制作有不同的看法6，12。使用遥控潜水器(ROVs)进行的现场喂食实验表明，巨型幼体海洋可以吞食直径从10到600微米的颗粒22。需要使用新的原位成像工具进行进一步观察，以解决房屋形态的差异，并阐明巨型幼体海洋选择和处理颗粒的方式。
  在这里，我们使用一种称为DeepPIV的ROV可部署激光片成像设备，展示了巨型幼体海洋粘液结构的三维原位可视化。在固定式运行时，DeepPIV用于研究小规模的颗粒-流体相互作用7，22。在扫描模式下操作，DeepPIV的激光片可以干净地穿透凝胶和粘液结构，通过ROV的前后平移运动可以收集这些结构的横截面图像。然后，生成的图像堆栈被用于生成三维重建，提供凝胶状或粘液结构的新视图，在这种情况下，是其房屋内的Bathochordaeus。结合不断进步的显微镜和分子方法28，30，35–37，这种原位观测工具阐明了中尺度和微尺度结构和流体流动。
  2015年6月至12月，美国加利福尼亚州蒙特雷湾的RVs Western Flyer和Rachel Carson在巡航期间观察到了巨型幼虫。DeepPIV在蒙特雷湾水族馆研究所的ROV MiniROV(扩展数据图1)上进行了13次单独潜水，这是一种额定深度为1500米的飞行器。在100-400米深度之间的部署期间，观察到了71个Bathochordaeus属的样本(图1)。其中，三维重建测量在14个单独的B. stygius房屋上进行(补充视频1，2)。在使用选择三维重建数据(补充信息)的严格标准后，对应于躯干长度在0.4至2.1 cm范围内的5个个体的6个原位重建数据集用于后续分析(补充表1)。在这里，我们使用描述符(例如，背侧和腹侧)来指代在中层水中发现的粘液屋的最常见方向。

模型揭示了巨型幼体海洋房屋的结构

  使用DeepPIV获得的对被占据的B. stygius内部房屋的图像扫描，确定了三维结构(补充信息)，产生了房屋特征的合成视图(图2、3、扩展数据图2和补充视频3)。通过像素强度和其他指标分离特征能够识别特定的结构，包括一些以前没有描述过或在文献中有争议的结构6，12(图2)。三维重建模型还提供了内部房屋的内部视图(图3、4和扩展数据图2)。这些新分解的部件包括上缓冲室、斜坡阀、逃逸室以及食物浓缩过滤器和供给室之间的接口(图3、4)。鉴于排气通道出口处缺乏结构(图3e)，我们怀疑没有排气阀，因此，巨型幼体海洋无法像一些较小的幼体海洋那样推动其整个房屋12，38，39。最后，从口腔管到排气室的颗粒排斥通道——类似于在O. dioica35中观察到的——无法识别。由于其极其脆弱的性质，我们无法对外部房屋进行完整的三维重建扫描，基于外部和内部房屋的高分辨率视频的概念图显示在扩展数据图3中。

  我们将三维重建与染料可视化(补充视频4)和使用DeepPIV的粒子运动测量(补充视频5)相结合，以深入了解内部流动模式以及粘液结构如何作为食物浓缩过滤器发挥作用(图4)。水流通过连接到外壳的两个入口通道进入内壳。在内屋的入口处是入口过滤器，其平均矩形网眼尺寸为3.6±1.7毫米(补充表1)。在入口过滤器之后，水流进入幼体所在的尾室。巨大的幼体被粘液包围，尾腔壁紧密贴合，这使得幼体尾部和流体之间的动量传递有效12。水流通过尾室，分成两个独立的供应通道，通向食物浓缩过滤器。我们观察到气流通过食物浓缩过滤器脊的内表面和外表面，以及通过供应室的天花板，然后通向中央排气通道，将气流转向房屋的后端(图4c–e和补充视频4、5 ),并排入外部房屋的内部。一旦水被排除在这些区域之外，密集的颗粒悬浮物继续通过食物集中过滤器的脊部向颊管移动，并进入幼体的口中(另见之前研究的补充视频1 22)。虽然在三维重建模型中仅部分解决(图3和补充视频3)，但我们发现了额外的特征，这些特征提供了关于内部特征具体功能的线索(补充视频4，5)。位于内部壳体顶部的斜坡阀(图3d，f)调节通过上部缓冲腔室(图3f)的流量，并与尾部和主体腔室(图3f)连接。此外，在尾室出口处的成对阀门(图4b)可以调节进入供给通道和食物浓缩过滤器的流量。连同悬挂线(图2b、3b、d、f ),在内部房屋壁内的这些室和阀可能在保持结构刚性方面具有作用；这些腔室和尾腔室之间的连接能够保持流体静压。穿过上缓冲室的逃生室(图3f)位于动物躯干的上方。还观察到其他侧室，但由于缺乏细节，未显示。

粘液结构的生态功能

  粘液房屋结构的可视化突出了巨型幼体海洋和较小的油鲽类房屋之间的关键差异，这些差异可能源于生态功能的差异。虽然在Oikopleura labradoriensis10中发现的网状“外墙”可能类似于B. stygius的外壳，但是外壳相对于内壳结构的绝对尺寸以及入口通道的存在是在O. labradoriensis中没有发现的特征，并且可能是Bathochordaeus所特有的。外壳可能提供了一个粗网眼屏蔽，防止大颗粒损害细网眼内壳。估计表明，巨型幼体海洋大约每天再生一所房子24——再加上动物的生理状况40——这种更新率可能部分是由于垂直迁移的动物造成的破坏。
  巨型幼体海洋的粘液屋也可以作为阻止捕食的物理屏障。内壳壁和外壳可以防止幼虫与水母和管水母等大量胶状捕食者的蛰细胞接触。此外，已知鱼类利用感觉器官42捕食幼体海洋41，这些感觉器官使鱼类能够探测到与桡足类和其他小型中型浮游动物猎物43、44的逃脱跳跃相对应的流体力学线索。对于这种机械感应捕食者来说，外壳可以作为一种隐形装置，以流体动力学的方式保护滤食性巨型幼体海洋。为了量化这种影响，我们可以将外壳建模为半径为r的网格球体，其中表面积A_h = 4πr²通过A_h = A_i + A_o与外壳的入口和出口表面积(分别为A_i和A_o)相关。
假设粘液室中的流动是稳定的，并且一旦幼体完全扩张，外壳半径是恒定的，那么动物通过尾室产生的流动(u_t)、进入外壳的流动(u_i)和通过外壳逸出的流动(u_o)之间的关系可以由连续性方程45给出

其中A_t是尾腔的横截面积。求解u_o给定

式中η=A_o/A_h，而A_o的精确值未知。根据我们的观察(扩展数据图3)，A_o可能在A_h的50%到90%之间变化，并且很可能位于该范围的上端。使用分别为1.33cm s⁻¹和4.82cm²的平均值，以及外屋24的r=50 cm，估计逃离外屋u_o的流量比U_t小3,300到5,800倍。因此，不是探测到巨型幼虫拍打尾巴引起的水流，而是路过的捕食者会遇到逃离粘液屋的水流，黏液屋小三个数量级。由此导致的流量减少可能会降低通过机械感应捕食者发现捕食者的可能性，从而减少对滤食性巨型幼虫的捕食。

粘液饲养室的复杂性作为大自然的奇迹幼虫

  粘液饲养室，无论大小，都是错综复杂的奇迹。在二十世纪之交首次被描述时，人们对房屋的形态和功能还知之甚少，直到奥尔德里奇用水肺描述了七种小型海龙的房屋32。Alldredge的现场观察揭示了水流通过过滤器的路径，从而最大限度地提高了颗粒的浓度和滞留。同样，深水巨型幼虫的基本内部和外部结构首先是通过来自ROV6的现场观察而解析出来的。巨型幼虫房屋的详细内部结构和流经房间、过滤器和阀门的水流模式现在已经被揭示。实现这一进展的研究是使用DeepPIV在现场进行的，这将使研究中水中的其他凝胶和粘液结构成为可能(扩展数据图4)。
  幼虫房屋剩下的最大谜团是它们是如何产生的。蜘蛛一次织成一张复杂的丝状网1，2，而幼虫的房子一下子就像一个雏形一样被挤出，然后膨胀起来。这就引出了一个问题，一堆产生粘液的细胞如何在一个紧密堆积的小气泡中创造出如此复杂的形态。考虑到它们非凡的建筑，这些复杂的奇迹应该只持续一两天，这似乎是令人难以置信的。未来的观测工具和运载工具将使我们能够观察巨型幼虫房屋的整个建造过程，并准确地记录它们建造的频率。

  还有四张补充的图片这里我就不把它们一一放入这里了,有兴趣的朋友可以自己去该论文检索处查看,海鞘类生物是一个非常神秘的物种,其特殊的透明介质身体是他们独有的自保武器,当然这也造成了观察研究他们的巨大障碍,文中的DeepPIV真是一项非常有趣又非常实用的探测工具,这种生物的移动速度最大一般是其体长的2~3倍,所以不像对于风洞研究那样需要非常高精密的控制,这里则更着重于考虑海洋所带来的诸多要素环境问题,对于设备的可移动性以及便携性要求更为严格,认真阅读文中可以感受到海鞘类生物没有我们这般骨架,其身体就如"大房子包住小房子",这种小房子一定程度上类似于我们的支撑骨骼,保护着他们身体中的重要器官,而大房子更像我们的内环境.
  其实看到这里我有一种特别神奇的感受,最近正在看<<三体>>的第二部:黑色森林,如果海鞘这种植物可以大肆过滤海洋中的微生物以满足自身生命需求,那相对于辽阔的宇宙是不是也存在这种类似于海洋微生物的可以填充生命的物质呢?不过,这确实有些妄想,液体环境相对于气体环境拥有太多的生命要素,高空和深海永远是两个无尽探索的领域,任何想要一探究竟的人都需要付出足够的代价去体会其中.我最近看到美丽的小鸟,时常在想它们也牺牲了自己的臂膀化作翱翔的羽翼,同样放弃健壮的双腿以及平实的脚掌,换取轻盈的体态足够宽广的胸腔,小巧的大脑搭配敏锐尖利的双目,天空才为其打开一探究竟的大门.
  啰里啰唆说了这么多,这篇blog就不写代码了 ,下午去python算法中更新一篇正则表达的题目,实习好难找啊!