Hình ảnh 3D Cho Thấy Cách Hệ Tiêu Hóa Của Cá Mập Hoạt Động Như Một Van Tesla

Năm 1920, nhà phát minh người Serbia Nikola Tesla đã thiết kế và đăng ký bằng sáng chế cái mà ông gọi là “đường dẫn van”: một ống có thiết kế nội thất đảm bảo chất lỏng sẽ chảy theo một hướng ưa thích, không cần các bộ phận chuyển động, làm cho nó lý tưởng cho các ứng dụng microfluidics, trong số các ứng dụng khác. Theo một bài báo gần đây được xuất bản trong Tạp chí Hội Royal B, van Tesla cũng cung cấp một mô hình hữu ích về cách thức thức ăn di chuyển qua hệ tiêu hóa của nhiều loại cá mập. Dựa trên hình ảnh CT mới của ruột cá mập, các nhà khoa học đã kết luận rằng ruột là các van Tesla tự nhiên.

"Đã đến lúc sử dụng một số công nghệ hiện đại để xem xét những ruột xoắn ốc thực sự tuyệt vời của cá mập này," nói cộng tác viên Samantha Leigh của Đại học California, Dominguez Hills. "Chúng tôi đã phát triển một phương pháp mới để quét số liệu kỹ thuật số cho những mô mềm này và bây giờ có thể nhìn vào các mô mềm này với chi tiết tuyệt vời mà không cần phải cắt chúng."

Chìa khóa của thiết kế van tài tình của Tesla là một loạt các vòng kết nối, không đối xứng, hình nước mắt. Trong đơn đăng ký bằng sáng chế của mình, Tesla mô tả chuỗi 11 đoạn điều khiển dòng như được làm từ "phình to, lõm, chiều ra, rãnh, hoặc xô mà, trong khi cung cấp hầu như không có sự cản trở nào đối với dòng chất lỏng theo một hướng, ngoại trừ ma sát bề mặt, tạo thành một rào cản gần như không thể vượt qua đối với dòng chất lỏng theo hướng ngược lại." Và vì nó đạt được điều này mà không có bộ phận chuyển động, van Tesla có khả năng chống mài mòn cao hơn khi hoạt động thường xuyên.

Tesla khẳng định nước sẽ chảy qua van của ông chậm hơn 200 lần ở một hướng so với hướng khác, điều này có thể đã là một chút phóng đại. Một nhóm nhà khoa học tại Đại học New York đã xây dựng một van Tesla hoạt động vào năm 2021, theo thiết kế của nhà phát minh, và kiểm tra tuyên bố đó bằng cách đo lường dòng nước qua van cả hai hướng ở các áp suất khác nhau. Các nhà khoa học phát hiện rằng nước chỉ chảy chậm hơn khoảng hai lần ở hướng không ưa thích.

Tuy nhiên, tỷ lệ dòng chảy đã chứng minh là một yếu tố quyết định. Van cung cấp rất ít sự cản trở ở tốc độ dòng chậm, nhưng một khi tốc độ đó tăng lên trên một ngưỡng nhất định, sự cản trở của van cũng sẽ tăng lên, tạo ra dòng chảy hỗn loạn theo hướng ngược lại, do đó "bị tắc" ống với xoáy và dòng chảy gây nhiễu loạn. Do đó, nó thực sự hoạt động giống như một công tắc, theo cộng tác viên Leif Ristroph, và cũng có thể giúp làm mịn dòng chảy nhấp nhô, giống như cách bộ chuyển đổi AC/DC chuyển đổi dòng điện xen kẽ thành dòng điện một chiều. Thực tế, Ristroph đề xuất rằng điều này có thể đã là ý định của Tesla khi thiết kế van, bởi vì ông nổi tiếng với việc phát minh cả động cơ AC và bộ chuyển đổi AC/DC.

Và bây giờ van Tesla đang mang lại hiểu biết về cấu trúc không bình thường của ruột cá mập, nhờ một đội ngũ nghiên cứu đến từ ba trường đại học: CSU, Dominguez Hills; Đại học Washington; và Đại học California, Irvine.

Cá mập là loài săn mồi hàng đầu, săn mồi từ một loạt các loài, và do đó quan trọng để kiểm soát đa dạng sinh học trong hệ sinh thái lớn hơn. Hầu hết cá mập có ruột xoắn ốc bao gồm một số lượng biến đổi của gập trong mô ruột, thường thuộc một trong bốn cấu hình cơ bản: hình cột, cuộn, một chiếc phễu hướng ra sau, hoặc một chiếc phễu hướng ra trước. Bốn loại ruột này thường được mô tả trong các bản vẽ 2D được bày ra ở hai chiều sau khi được phẫu thuật hoặc được hình ảnh như các lát mỏng hai chiều qua cấu trúc ba chiều. Nhưng điều này không mang lại cho nhà khoa học nhiều hiểu biết về cách cấu trúc hoạt động ở nơi.

Năm ngoái, các nhà nghiên cứu Nhật Bản tái tạo hình ảnh nhỏ của các phần mô histological từ một loài cá mập mèo thành một mô hình ba chiều, mang lại "một cái nhìn lôi cuốn về giải phẫu của một ruột xoắn ốc loại cuộn," theo tác giả của bài báo mới nhất này. Cộng tác viên Adam Summers, của Trung tâm nghiên cứu Friday Harbor của Đại học Washington, và đồng nghiệp của ông quyết định rằng việc quét CT có thể đạt được điều tương tự, vì kỹ thuật này liên quan đến việc chụp một loạt hình ảnh tia X từ các góc khác nhau và sau đó kết hợp chúng thành hình ảnh 3D.

"Quét CT là một trong những cách duy nhất để hiểu hình dạng của ruột cá mập ở ba chiều," nói Summers. "Ruột rất phức tạp, với rất nhiều lớp chồng lên nhau, việc phẫu thuật phá hủy bối cảnh và kết nối của mô. Điều này giống như cố gắng hiểu thông tin trong một tờ báo bằng cách cắt bằng kéo vào bản cuộn. Câu chuyện sẽ không kết hợp lại."

Summers và đồng đội thu thập ruột từ các mẫu cá mập được bảo quản đại diện cho 22 loài từ Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Los Angeles và từ các mẫu cá mập được đóng băng trước đó. Ruột được loại bỏ thông qua phẫu thuật, sau đó được rửa sạch với nước tinh khiết để không còn nội dung dư thừa. Tiếp theo, đội ngũ đã đổ chất lỏng vào các mẫu và làm khô bằng lạnh để giữ hình dạng của chúng, trước khi quét chúng để tạo ra mô hình 3D ảo. Điều này mang lại cho các nhà nghiên cứu cái nhìn xuất sắc về cách ruột được cấu trúc.

Tiếp theo, đội ngũ thu mẫu lạnh của mỗi loại ruột và tiến hành nhiều thí nghiệm. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã chạy các chất lỏng qua các xoắn và thường mất khoảng 35 phút để chất lỏng đi qua khi chúng theo hướng dòng bình thường. Nhưng quá trình này mất gấp đôi thời gian khi ruột bị lật ngược, theo hướng ngược lại so với dòng chảy bình thường. Điều này phù hợp với kết quả của các thí nghiệm NYU với van Tesla vào năm ngoái.

Rất Nhiều Bộ Phận Ruột

Đội ngũ cũng tiến hành các thí nghiệm với năm con cá mập chó biển Thái Bình Dương đã bị giết mổ gần đây. Các nhà nghiên cứu chạy các chất lỏng có màu sắc và độ nhớt khác nhau qua ruột xoắn và quan sát cách cơ xoắn phản ứng với chất lỏng. Ruột dường như làm chậm chuyển động thức ăn, định hình nó xuống qua đường ruột thông qua trọng lực và co bóp cơ mềm của ruột. Tuy nhiên, những co bóp đó chủ yếu phục vụ để trộn và khuấy động bất kỳ chất lỏng nào đi qua; cấu trúc không bình thường của ruột đủ để di chuyển mọi thứ đi.

Còn về lý do tại sao cấu trúc ruột kỳ lạ này có thể đã tiến hóa ban đầu, cá mập có thể đi qua nhiều ngày hoặc tuần trước khi ăn một bữa lớn. Các tác giả giả thuyết rằng cấu trúc xoắn ốc không bình thường cung cấp một diện tích bề mặt và thể tích mở rộng, từ đó kéo dài thời gian thức ăn ở ruột. Điều này tăng cường hấp thụ chất dinh dưỡng và giảm cần lượng năng lượng mà cá mập cần để tiêu hóa thức ăn.

Bước tiếp theo là tạo ra mô hình in 3D của các loại ruột cá mập khác nhau và thực hiện các thí nghiệm tương tự. "Hầu hết các loài cá mập và hầu hết sinh lý học của chúng là hoàn toàn không biết đến," Summers nói. "Mỗi quan sát lịch sử tự nhiên, hình dung nội bộ và điều tra giải phẫu cho chúng ta thấy những điều chúng ta không thể đoán trước. Chúng ta cần nhìn chăm chỉ hơn vào cá mập và, đặc biệt, chúng ta cần nhìn chăm chỉ hơn vào các bộ phận khác ngoài hàm, và các loài không tương tác với con người."

Câu chuyện này xuất hiện lần đầu trên Ars Technica.

Những Điều Tuyệt Vời Khác Từ Mytour

• 📩 Những thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!
• Khi đại dịch động vật tiếp theo đến, phòng thí nghiệm này có thể ngăn chặn nó không?
• Đây là cách người ngoài hành tinh có thể tìm kiếm cuộc sống của con người
• Khi du lịch hồi phục, các hãng hàng không đang tìm hiểu từ đó theo cách nào?
• Các streamer Twitch và sự bùng nổ đánh cược crypto đen tối
• Làm thế nào để tìm kiếm web của bạn trở nên an toàn hơn
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận các mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 📱 Lưỡng lự giữa những chiếc điện thoại mới nhất? Đừng lo sợ—kiểm tra hướng dẫn mua iPhone của chúng tôi và những chiếc điện thoại Android yêu thích