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人類一直在發(fā)明創(chuàng)造。偉大的發(fā)明讓生活更簡(jiǎn)單更愉悅，也更具可能性與想象力。

對(duì)發(fā)明家來說，自然界生物可以帶來源源不斷的創(chuàng)造靈感。

例如，2024年，受到水母啟發(fā)的中英聯(lián)合科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出水溶性、無毒的熒光噴霧，可于10秒內(nèi)檢測(cè)出犯罪現(xiàn)場(chǎng)的指紋。由論文可知，他們基于水母體內(nèi)的綠色熒光蛋白，創(chuàng)建了兩種不同顏色染料，可與指紋中帶負(fù)電荷的分子結(jié)合，并發(fā)出強(qiáng)烈熒光。

另一項(xiàng)亮眼突破是借鑒蜘蛛網(wǎng)的超靈敏麥克風(fēng)。

蛛絲受到空氣中聲波的細(xì)微擾動(dòng)后會(huì)振動(dòng)——這給蜘蛛的聽力“外包”提供了物理學(xué)基礎(chǔ)。圓網(wǎng)蜘蛛用自己制造的蛋白質(zhì)蛛網(wǎng)當(dāng)聲學(xué)傳感器，使聽力升級(jí)、擴(kuò)展、擺脫自身體型限制。輪狀蛛網(wǎng)就是超靈敏聲波天線(hyperacute acoustic antenna)，它對(duì)空氣粒子運(yùn)動(dòng)(由聲波引起)的捕捉接近最大物理效率，比過去已知的任何耳膜都更具聲學(xué)響應(yīng)性。

科學(xué)家通過模仿蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)做出的麥克風(fēng)比標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)更濃縮更精華，因?yàn)楹笳呤歉鶕?jù)人類耳膜設(shè)計(jì)的。

發(fā)明團(tuán)隊(duì)表示，蜘蛛絲可以繼續(xù)革新聲音技術(shù)，未來有望實(shí)現(xiàn)用于及早發(fā)現(xiàn)聽力損失的技術(shù)以及探測(cè)龍卷風(fēng)形成前低頻聲音的技術(shù)。

當(dāng)然話說回來，這些發(fā)明的基礎(chǔ)都是生物學(xué)新知的構(gòu)建。那么在2024年，學(xué)術(shù)界新增了多少極具應(yīng)用潛力、可能帶來創(chuàng)新的生物學(xué)新發(fā)現(xiàn)呢？近日，美國(guó)科學(xué)雜志《史密森尼》 (Smithsonian) 選出了最具發(fā)明潛質(zhì)的年度生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。

鮟鱇魚

“愛”你就要化作你

貪財(cái)?shù)娜孙L(fēng)生水起，追愛的魚物理入贅。對(duì)于雄性鮟鱇魚 (Lophiiformes) 來說，深海下的“愛”，可分為三大步。

第一步，通過探測(cè)雌性鮟鱇魚嘴里大量發(fā)光細(xì)菌的光亮或追蹤雌性的氣味，找到入贅目標(biāo)；第二步，咬住、吸附于雌性的鰓蓋或腹部；第三步，將自身血肉融入雌魚身體，成為其一部分，除了精囊，其他器官都逐漸退化消失。從某種意義上說，雄性變成了雌性體內(nèi)一個(gè)專門提供精子的“性器官”。

一條迷你的雄性正嘗試與巨大的雌性融合

科學(xué)家將這種奇怪的愛情稱作“專性寄生” (obligate sexual parasitism)。 根據(jù)2024年6月《當(dāng)代生物學(xué)》 (Current Biology) 雜志報(bào)道的一項(xiàng)研究，鮟鱇魚的這種交配策略或許正是它們家族興旺繁榮的原因。

在距今3500萬(wàn)至5000萬(wàn)年前，鮟鱇魚的祖先逐漸失去于淺水中用特殊的魚鰭“行走”的習(xí)慣，轉(zhuǎn)而下沉深海。此轉(zhuǎn)變發(fā)生于導(dǎo)致大量物種滅絕的全球變暖時(shí)期——科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這也是鮟鱇魚演化出專性寄生的時(shí)間段。

從遺傳學(xué)角度來說，專性寄生策略要成功，雌魚必須具備兩個(gè)條件。第一，雌魚必須比雄魚體型大得多。第二點(diǎn)更重要，那就是雌性必須降低自身免疫防御能力，從而保證機(jī)體不會(huì)攻擊試圖融入的小體型雄性。

新研究的作者之一、耶魯大學(xué)演化生物學(xué)家托馬斯·尼爾 (Thomas Near) 表示，鮟鱇魚的免疫抑制或?qū)⒊蔀槿祟惼鞴僖浦埠椭财ばg(shù)的關(guān)鍵。它是未來醫(yī)學(xué)研究的一個(gè)有趣領(lǐng)域。

櫛水母也擁有類似能力。櫛水母是一種原始的海洋生物，被視為動(dòng)物演化樹上的第一個(gè)分支。 (它與水母的演化關(guān)系可謂八竿子打不著。) 2024年 10月，另一組研究人員于《當(dāng)代生物學(xué)》發(fā)文稱，櫛水母受傷后，可能會(huì)與另一個(gè)體融合——神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)都可以融合，而且融合的速度與程度是驚人的。

櫛水母的融合也激發(fā)著科學(xué)家的靈感：一方面，這可以為防止器官移植排斥反應(yīng)提供研究思路；另一方面，探究這些生物融合后的神經(jīng)元協(xié)同工作的機(jī)制，或許會(huì)帶來神經(jīng)再生的策略。

馬塔貝勒蟻

仁蟻泌藥，口到菌除

馬塔貝勒蟻 (Megaponera analis) 生活于撒哈拉以南地區(qū)，每天都面對(duì)生命危險(xiǎn)。因?yàn)樗鼈儗ｉT以白蟻為食，但不入蟻穴焉得白蟻，在向戒備森嚴(yán)的白蟻巢進(jìn)攻的過程中，約20% 的戰(zhàn)隊(duì)成員有腿部受傷風(fēng)險(xiǎn)。

傷口感染往往意味著死亡。但不棄傷員的蟻隊(duì)具備醫(yī)療技術(shù)，同伴會(huì)制造抗菌分泌物用以幫助負(fù)傷者防感染。

一只馬塔貝勒蟻正處理它同伴的傷口

德國(guó)維爾茨堡大學(xué)動(dòng)物生態(tài)學(xué)家埃里克·弗蘭克(Erik Frank)與同事深入觀察了馬塔貝勒蟻醫(yī)學(xué)。他們通過一系列實(shí)驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，馬塔貝勒蟻能夠分辨同類是否存在傷口感染，判斷依據(jù)似乎來自外骨骼中碳?xì)浠衔锾卣鞯牟煌?strong>治療過程中，蟻醫(yī)生會(huì)從自己或傷員后胸部的腺體中取藥，即一種含50多種成分、具備抗菌等功效的分泌物，接著放入口中并給對(duì)方上藥。

受傷螞蟻如果與同伴隔離，那么它們?cè)趥?6小時(shí)內(nèi)的死亡率高達(dá)90%；如果有蟻群照料，死亡率僅為22%。

弗蘭克等人于《自然-通訊》 (Nature Communications) 雜志發(fā)表了研究成果，并表達(dá)見解：除了人類，似乎沒有其他生物能像馬塔貝勒蟻這般針對(duì)傷口進(jìn)行如此復(fù)雜的醫(yī)學(xué)處理。

鑒于螞蟻傷口的主要病原體銅綠假單胞菌也會(huì)感染人類，且其中有幾種菌株對(duì)抗生素具備耐藥性，蟻醫(yī)生的秘技或?qū)⒅θ祟愥t(yī)學(xué)。

心鳥蛤

伙伴，我來給你開扇窗

很多人愛吃蛤蜊，最常上國(guó)人餐桌的種類包括花蛤、青蛤、白蛤等，它們都是雙殼類軟體動(dòng)物，簾蛤目下的成員。簾蛤目還包括了兩個(gè)擁有獨(dú)特“光共生” (photosymbiotic) 能力的家族，硨磲科 (Tridacninae) 和鳥尾蛤科 (Cardiidae) 。所謂光共生，是指動(dòng)物通過共生關(guān)系間接利用陽(yáng)光。

以鳥尾蛤科下的心鳥蛤 (Corculum cardissa) 為例，與它們?nèi)彳浀纳碥|共同安居于貝殼里的、還能開展光合作用并以此給宿主貢獻(xiàn)營(yíng)養(yǎng)的藻類。至于為什么殼內(nèi)的藻類能被陽(yáng)光照到，原因在于心鳥蛤的殼自帶一塊透光窗口。這是生物演化造就的杰作，而且內(nèi)藏遙遙領(lǐng)先人類工業(yè)的光纖技術(shù)?？茖W(xué)家于11月的《自然-通訊》報(bào)道了他們對(duì)蛤蜊光纖的研究成果。

心鳥蛤殼上的“窗口”可以通過光纖將陽(yáng)光送到內(nèi)部

他們發(fā)現(xiàn)，心鳥蛤的殼由一種稱作霰石/文石 (aragonite) 的碳酸鈣晶體構(gòu)成，大部分都為板狀結(jié)構(gòu)；但在中間區(qū)域的透光窗口，霰石結(jié)構(gòu)被拉伸成毛發(fā)狀纖維的結(jié)構(gòu)。這些纖維通道將紅光和藍(lán)光 (光合作用的最佳波長(zhǎng)) 高效傳輸至殼內(nèi)，同時(shí)阻擋住有害的紫外線輻射。

作者團(tuán)隊(duì)借助計(jì)算機(jī)模擬，嘗試了纖維的不同尺寸、形狀和取向，旨在設(shè)計(jì)更有效的結(jié)構(gòu)方案，但結(jié)果表明，蛤蜊的演化就是最佳設(shè)計(jì)。

基于此新發(fā)現(xiàn)，未來工程師有望模仿軟體動(dòng)物結(jié)構(gòu)，制造性能更優(yōu)越的霰石光纜，實(shí)現(xiàn)更快速的遠(yuǎn)距離信息傳輸，變革無線通信技術(shù)。另有觀察人士指出，未來甚至有望擺脫在光纖上涂昂貴的反射涂層的需求。

新發(fā)現(xiàn)也為海洋保護(hù)工作帶來啟示。由于自帶“防曬霜”，心鳥蛤能限制可能損害其DNA和藻類DNA的紫外線，從而避免在較溫暖水域中發(fā)生白化——此現(xiàn)象會(huì)影響珊瑚和其他蛤蜊。研究人員表示，蛤蜊光纖技術(shù)可以在海洋變暖的大環(huán)境下保護(hù)珊瑚及其共生藻類。

大丹魚

風(fēng)浪越大，魚組隊(duì)

科學(xué)家很早就知道，與同伴成群結(jié)隊(duì)地群游行會(huì)幫助魚類更不易受到捕食者攻擊。 魚群的協(xié)同擴(kuò)張和收縮可能迷惑潛在攻擊者，使其難以鎖定隊(duì)伍里的任何一個(gè)個(gè)體。 不過研究人員想知道魚群是否還有其他作用，例如幫它們節(jié)省能量？

為回答上述問題，有科研團(tuán)隊(duì)將大丹魚 (Devario aequipinnatus) 放上“跑步機(jī)”——一種通過螺旋槳產(chǎn)生水流的游泳專用閉環(huán)。當(dāng)魚逆流而上時(shí)，高速攝像機(jī)捕捉下它們的動(dòng)作，探測(cè)器測(cè)量其消耗的氧氣量，以反映能耗情況。在一部分試驗(yàn)里，大丹魚成群游動(dòng)；在另一些試驗(yàn)里，個(gè)體獨(dú)自游行。

結(jié)果顯示，大丹魚成群游動(dòng)時(shí)的能耗比獨(dú)自游時(shí)低79%。這種現(xiàn)象與自行車騎手編隊(duì)騎行以減少空氣阻力有著相似原理。成群游動(dòng)可以避免湍流影響，使魚群無論面對(duì)浪急流湍還是水波不興，都以差不多的能量輸出前行；但如果是落單的大丹魚身處湍流，它需要增加約22%的能耗來維同等于平穩(wěn)環(huán)境下的游速。這些新發(fā)現(xiàn)刊載于《公共科學(xué)圖書館-生物學(xué)》 (PLOS Biology) 雜志。

一群大丹魚在“水下跑步機(jī)”中游泳

探究大丹魚等魚群的流體動(dòng)力學(xué)可為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展鋪墊基礎(chǔ)。例如，飛行無人機(jī)艦隊(duì)可以遵循類似原理行動(dòng)從而節(jié)省電力。又例如，可將游泳機(jī)器人設(shè)計(jì)成小魚成群而非大魚獨(dú)行的模式。

新發(fā)現(xiàn)也可能給魚類帶來影響：隨著海洋變暖，魚類不得不消耗更多能量來游動(dòng)和維持體溫。記錄它們運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量需求將幫助科學(xué)家更好預(yù)測(cè)魚類面對(duì)多變環(huán)境的生存策略。

猿藥師

這活我也能干！

研究表明，當(dāng)類人猿生病或受傷時(shí)，它們可能會(huì)像人類一樣尋找藥物并給自己用藥。森林即藥房，采藥有“猿”方。 （）

2024年6月，《公共科學(xué)圖書館-綜合》 (PLOS One) 雜志報(bào)道了一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：研究團(tuán)隊(duì)曾對(duì)烏干達(dá)布東戈森林 (Budongo Forest) 里的兩組黑猩猩開展為期8個(gè)月的追蹤，觀察其飲食以及是否出現(xiàn)疾病跡象——判斷方法是檢查傷口和檢測(cè)尿液與糞便。后來團(tuán)隊(duì)鎖定了黑猩猩常用的13種植物。它們的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值不高，但具備抗菌和消炎功效；在某些情況下，患病的黑猩猩會(huì)花大力氣去找這些植物。

論文主要作者、牛津大學(xué)靈長(zhǎng)類動(dòng)物學(xué)家艾洛蒂·弗萊曼 (Elodie Freymann) 表示，黑猩猩的藥譜可能為人類新藥研發(fā)新開一扇窗。我們不可能測(cè)試森林里每種植物的藥用價(jià)值。那何不直接關(guān)注已獲黑猩猩認(rèn)證的候選者？

另一項(xiàng)類人猿自我治療的案例刊載于5月的《科學(xué)報(bào)告》 (Scientific Reports) 。

論文作者在印度尼西亞叢林中觀察紅毛猩猩的生活。一天，他們發(fā)現(xiàn)名為“拉庫(kù)斯” (Rakus) 的雄性蘇門答臘猩猩面部有傷；幾天后，拉庫(kù)斯開始咀嚼藥用藤本植物假黃藤 (Fibraurea tinctoria) ，并將其汁液涂抹于傷口；又過一日，猩猩吃下了這種在其飲食結(jié)構(gòu)中只占0.3%的草藥。不到一周后，傷口愈合，感染無有。

傷口愈合前后的拉庫(kù)斯

此項(xiàng)成果除了啟發(fā)科學(xué)家探索新的自然療法，還表明自我治療能力源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，并非只有人類采藥用藥。正如論文作者、馬克斯·普朗克動(dòng)物行為研究所的靈長(zhǎng)類動(dòng)物學(xué)家卡羅琳·舒普利 (Caroline Schuppli) 所言，猩猩與人類“共享知識(shí)”。

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