1920年，發(fā)明家特斯拉設(shè)計(jì)了一種被他稱作“瓣膜導(dǎo)管”的管道結(jié)構(gòu)，后人將其稱為特斯拉閥。這種管道的內(nèi)部設(shè)計(jì)可以確保流體沿一個(gè)特定的方向流動(dòng)，而無(wú)需移動(dòng)部件。據(jù)最近發(fā)表在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)B輯》上的一篇論文，特斯拉閥可以作為一個(gè)模型，用于解釋食物如何通過(guò)多種鯊魚(yú)的消化系統(tǒng)。基于鯊魚(yú)腸道的最新CT掃描結(jié)果，科學(xué)家們得出結(jié)論，它們的腸道是一種天然的特斯拉閥。

液體只能單向流動(dòng)

特斯拉閥中一個(gè)巧妙設(shè)計(jì)是一組相互連接的、不對(duì)稱的淚珠狀回路。在專利申請(qǐng)中，特斯拉描述這一串11個(gè)流體控制組件“由擴(kuò)大、迂回、突出的擋板或斗狀結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)流體沿某一方向通過(guò)時(shí)，除了有表面摩擦外，幾乎沒(méi)有阻力，但是液體如果想從相反的方向流過(guò)幾乎不可能。”此外，由于特斯拉閥可以在不移動(dòng)部件的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，所以它更能承受頻繁操作帶來(lái)的磨損。

特斯拉稱，相反方向的水流通過(guò)閥門(mén)的速度可以相差200倍，這可能夸大其詞了。根據(jù)他的設(shè)計(jì)，紐約大學(xué)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)于2021年建造了一個(gè)可以實(shí)際運(yùn)行的特斯拉閥，并通過(guò)測(cè)量在不同壓力下，分別從兩個(gè)方向通過(guò)閥門(mén)的水流量來(lái)檢驗(yàn)這一說(shuō)法。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，水在兩個(gè)方向的流動(dòng)速度僅差了約一半。

但是在實(shí)驗(yàn)中，水的流速是一個(gè)關(guān)鍵的影響因素。當(dāng)水流較慢時(shí)，閥門(mén)提供的阻力很小，而一旦流速超過(guò)某個(gè)閾值，閥門(mén)的阻力就會(huì)增加，產(chǎn)生反向湍流，導(dǎo)致管道被渦流和破壞性水流“堵塞”。因此，根據(jù)論文共同作者利夫·萊斯托夫的說(shuō)法，它實(shí)際上更像是一個(gè)開(kāi)關(guān)，有助于平滑脈沖流，類似于交流/直流電轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。萊斯托夫認(rèn)為這可能正是特斯拉設(shè)計(jì)這個(gè)閥門(mén)的意圖，因?yàn)樗畛雒陌l(fā)明就是交流電機(jī)和交流/直流電轉(zhuǎn)換器。

數(shù)字化掃描觀察腸道組織

現(xiàn)在，特斯拉閥為研究鯊魚(yú)不同尋常的腸道結(jié)構(gòu)提供了線索。鯊魚(yú)是食物鏈頂端的掠食者，能以多個(gè)物種為食，因此它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)生物多樣性的控制中具有很重要的作用。大多數(shù)鯊魚(yú)的螺旋腸中含有不同數(shù)量的褶皺，它們的基本形態(tài)有以下4種：柱狀、卷軸狀和兩種漏斗狀——包括細(xì)口指前和指后的兩種形式。這4種類型的腸道通常以二維草圖顯示，這些草圖包括鯊魚(yú)腸道解剖后的二維展開(kāi)圖，或來(lái)自三維結(jié)構(gòu)成像的二維切片。但這些草圖并不能幫助科學(xué)家們深入了解該結(jié)構(gòu)是如何工作的。

“是時(shí)候使用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)觀察鯊魚(yú)驚人的螺旋腸結(jié)構(gòu)了。”論文的共同作者，美國(guó)加州州立大學(xué)多明格斯山分校的薩曼莎·利說(shuō)，“我們開(kāi)發(fā)了一種新的數(shù)字化掃描方法，來(lái)掃描這些組織。通過(guò)這種方法，我們不需要對(duì)軟組織進(jìn)行切片，就可以非常詳細(xì)地觀察它們。”

去年，日本研究人員用3D模型重建了一種貓鯊腸道組織的顯微切片圖像，這讓他們得以一瞥卷軸狀螺旋腸的解剖結(jié)構(gòu)。文章的共同作者亞當(dāng)·薩默斯和其在美國(guó)華盛頓大學(xué)富萊德港實(shí)驗(yàn)室的同事認(rèn)為，CT掃描可能可以完成類似的工作，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能從不同角度拍攝一系列X射線圖像，然后將它們組合成3D圖像。

“CT掃描是了解鯊魚(yú)腸道三維結(jié)構(gòu)為數(shù)不多的方法之一。”薩默斯說(shuō)，“腸道如此復(fù)雜，有多層重疊在一起，解剖會(huì)破壞組織的脈絡(luò)和連接。這就像把一份卷起來(lái)的報(bào)紙剪開(kāi)來(lái)閱讀，報(bào)道內(nèi)容沒(méi)法連貫起來(lái)。”

薩默斯等人從洛杉磯自然歷史博物館保存的22種鯊魚(yú)標(biāo)本和先前受贈(zèng)的冷凍鯊魚(yú)標(biāo)本中獲得了腸道樣本。這些腸道樣本經(jīng)解剖取出后，用去離子水沖洗干凈。該團(tuán)隊(duì)用液體填充腸道樣本，并將其冷凍干燥以保持形狀，然后對(duì)它進(jìn)行掃描，獲得虛擬的3D模型。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)這4種未冷凍的腸道樣本進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。例如，研究人員讓液體流過(guò)螺旋狀腸道結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)液體沿正向流動(dòng)時(shí)，通常需要大約35分鐘才能通過(guò);但是當(dāng)腸道方向顛倒后，這個(gè)過(guò)程的用時(shí)會(huì)翻倍。這與去年紐約大學(xué)的特斯拉閥實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

該團(tuán)隊(duì)還對(duì)5條安樂(lè)死的太平洋白斑角鯊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。研究人員讓不同黏度的有色液體通過(guò)螺旋腸，觀察螺旋肌對(duì)液體的反應(yīng)。腸道似乎減緩了食物的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)重力和腸道平滑肌的收縮引導(dǎo)食物通過(guò)腸道。然而，肌肉收縮主要是用來(lái)混合和攪動(dòng)流經(jīng)的液體：這種不尋常的腸道結(jié)構(gòu)足以推動(dòng)任何東西移動(dòng)。

這種奇特的腸道結(jié)構(gòu)之所以會(huì)進(jìn)化出來(lái)，首要原因可能是鯊魚(yú)要間隔數(shù)天甚至數(shù)周才有一頓大餐。論文作者猜測(cè)，這種不尋常的螺旋結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了腸道的表面積和體積，從而延長(zhǎng)了食物在腸道中停留的時(shí)間。這能促使更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被吸收，以及減少了消化食物所需的能量。