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中山大學新研究！管蟲鰓絲被動彎曲實現高效濾食的機制

更新時間：2025-12-26點擊次數：31
管蟲（Annelida: Sabellidae）為懸浮濾食的多毛綱動物，借助輻射狀鰓冠從海水中過濾懸浮顆粒或微小生物，維持生長與繁殖。“衣食住行"，關于“衣"與“住"，已有研究團隊揭示了它們借助粘液分泌構筑管狀棲居結構，并在復雜流場中選擇與改造微環境。作者團隊也在“行"這一章節進行了大量研究，系統解析了管蟲如何通過形態和行為調整在水流環境中實現移動和微調。將這些章節串聯起來，可以更清晰地看到一個核心問題——“食"為什么更值得深入？在真實海洋里，多相顆粒譜、脈動湍流與營養梯度共同作用，管蟲鰓冠既是機械的過濾器，又承擔著與顆粒相互作用的微尺度物理過程和生理響應。弄清管蟲如何在這種復雜耦合下保持高效濾食，不僅是滿足基礎生態學空白的必要步驟，也可能為污染監測、生態修復和仿生過濾器設計提供新思路。

近期，中山大學吳嘉寧副教授團隊揭示了管蟲的靈活鰓絲被動彎曲實現高效濾食的機制，為海洋濾食性生物的過濾機制提供了新見解，并有望為開發仿生水下顆粒捕獲器提供新的靈感。研究成果以“Flexible filaments of a fan worm make filtration functionally flexible"為題發表在期刊《Cell Reports Physical Science》上。中山大學碩士研究生陳欣欣為作者，中山大學吳嘉寧副教授和王劍穎副教授為共同通訊作者。

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管蟲是一種固著型多毛類懸浮濾食動物，通常棲息于由自身分泌的粘液構成的固定粘液管中。其鰓冠由輻射狀的鰓絲組成，且鰓絲兩側由羽狀小片（即小羽），兼具水下呼吸與濾食的雙重功能。在復雜水流環境中，管蟲鰓絲能通過適應性彎曲形態響應水流變化。環境水流速度從靜止上升至約0.46 m/s時，鰓絲呈現連續增強的彎曲形態。

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管蟲鰓絲的彎曲顯著提高濾食效率，同時實現基于顆粒尺寸的選擇性濾食。在PIV實驗和多相流模擬中，當鰓絲發生彎曲時，對直徑約3 µm顆粒的捕獲數目達到212，相對于原始靜水形態提高了117%。研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（microArch® S240，精度：10 μm）制備了管蟲彎曲鰓絲樣件。

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更進一步，管蟲對小于4 µm的顆粒顯示出明顯偏好。在這一粒徑區間內，單位時間的捕獲數目并不會無限增長，而是出現平臺化——即發生了飽和效應，即管蟲鰓絲具有尺寸選擇性的濾食能力。

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管蟲鰓絲的彎曲通過微尺度流場調控增強其顆粒捕獲能力和實現選擇性過濾。當水流流過時，彎曲鰓絲在其背風側誘導形成局部渦流，形成微尺度“顆粒陷阱"，延長顆粒在背風區的滯留概率，從而提高捕獲效率。

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與此同時，相鄰小羽間的流體分離產生回流區與渦流，顯著促進微小顆粒（1-4 µm）的滯留。此外，負壓梯度進一步將微粒驅向滯留區域，促使顆粒在靠近小羽表面的區域聚集并增加與鰓絲的相互作用時間，提高捕獲效率。因此，鰓絲彎曲并非單純的幾何改變，而是一種通過流場調控實現的“微流體策略"，將流體動力學與結構—表面相互作用耦合起來，打造出高效且有選擇性的濾食機制。

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進一步，研究團隊還基于管蟲鰓絲彎曲的高效濾食機制，開發了一個尺寸選擇性濾食模型，該模型可以推廣至與管蟲一樣具有類似過濾器官的生物，有助于預測不同水流環境中管蟲對浮游生物和顆粒有機物的攝取能力。該模型既可評估自然界中扇形蠕蟲的凈化能力，也可用于評估受扇形蠕蟲啟發的濾食型水質監測機器人的凈化效能。