地毯和火焰纤毛器官形态的设计规则

科学史就是一系列范式转变的过程——传统理论被揭穿，并被新发现取代。南加州大学维特比工程学院的Kanso仿生运动实验室已经习惯了这种范式转变，并在顶级期刊上发表他们的研究成果。

该实验室最近发表在《自然物理学》杂志上的论文题为《流动物理指导纤毛器官的形态》，提出了对生物体内两种不同液体泵送机制之间联系的新认识：纤毛管道的“火焰”模型和“地毯”模型。

在人类中，纤毛组织在气道、脑室、脊髓管和生殖系统中输送液体。这些纤毛的特点是“地毯”设计——想象一层垂直于上皮表面的致密短纤维。许多动物的管道也有截然不同的纤毛排列：纤毛火焰设计，其中紧密堆积、相对较长的纤毛沿着狭窄的管腔纵向跳动。

纤毛火焰并不存在于人类等大型多细胞生物中，因此人们认为，地毯状和火焰状这两种形态是通过进化过程来区分的。然而，伊娃·坎索教授及其研究团队(尤其是合著者南加州大学博士生冯玲和研究科学家詹娜·纳沃罗斯)发现，这种区别实际上取决于不同的液体泵送需求。

换言之，形式服从功能。该团队提出，纤毛器官设计的趋同遵循机械约束，而不是系统发育轨迹(进化和关系发展)。

本文提出了一系列纤毛泵的通用设计规则：一个统一的流体模型，该模型提出了两个通常相反的模型之间意想不到的连续性。两个结构参数，即管腔直径和纤毛与管腔之比，将纤毛管道多样性组织成一个连续的光谱，将地毯与火焰联系起来。

在光谱的任一端，结果表明最大化的流速和压力产生(与批量运输和过滤的生理要求一致)，而沿着形态光谱的中间设计构成了最高效的混合物。

新发现有助于更清楚地研究和管理与纤毛功能障碍和液体积聚相关的主要病症，包括支气管扩张、脑积水和宫外孕。这些发现还有助于了解特定器官的功能。例如，用于排泄液体的纤毛火焰为研究人类肾脏疾病提供了一个模型系统。

尽管纤毛器官在动物生理学中具有根本的重要性，但由于难以测量完整内部管道中的纤毛摆动和液体流动，纤毛管道形态与其泵送液体的能力之间的关系仍未得到充分探索。

KansoLab通过实验和数学建模解决这一具有挑战性的研究领域，提出了一种既创新又直观的新方法。二分法被重新定义为连续体，科学和工程领域的重大挑战就变得简单了一步。