對於許多海洋生物來說，再生失去的肢體是司空見慣的事情。但是，根據 6 月 15 日發表在《美國國家科學院院刊》上的一項新研究，當一隻幼小的水母例如被海龜咬掉一兩條觸手時，它會重新排列剩餘的肢體，以確保它仍然能夠正常進食和游泳。作者表示，這一發現應該會讓海洋愛好者和機器人工程師感到興奮，因為水母的自我修復策略可能會教會研究人員如何製造能夠自我修復的機器人。斯坦福大學的生物物理學家約翰·達比裡說：“這又是一個自然界已經解決了我們工程師長期以來一直在試圖解決的問題的例子。”他曾與研究人員討論過該專案，但並未參與這項研究。
對稱化的驚喜
加州理工學院的博士生、該研究的主要作者邁克爾·艾布拉姆斯說，這個發現幾乎是偶然發生的。艾布拉姆斯和他的導師、加州理工學院的生物學助理教授莉亞·岡託羅最初打算研究 Turritopsis dohrnii，一種枝形吊燈狀的水母，它具有在生命中的任何階段變回水螅體的能力，從而實現了生物學上的永生。但是，這些基本上未經研究的水母很難獲得，因此實驗室開始用另一種水母 Aurelia aurita 進行實驗，同時等待“不死水母”的到來。Aurelia，也稱為月亮水母，非常常見，可以透過它們傘狀體上的四個新月形生殖腺輕鬆識別。“我開始做 150 年前的老式實驗，你只是把東西切開，看看會發生什麼，”艾布拉姆斯說。他選擇了一些幼蟲，也就是月亮水母自由遊動的幼體，它們看起來像微小的星爆，每個幼蟲都有八個對稱的觸手從圓盤狀的身體中放射出來。然後，他從麻醉後的幼蟲身上截斷了兩條觸手——完全期望它的觸手會重新生長，就像許多海洋無脊椎動物甚至月亮水母的水螅體階段一樣。
相反，他看到了完全不同的東西。年輕的水母沒有再生被截斷的觸手，而是在接下來的 18 個小時內重新排列了剩餘的觸手，直到它們均勻分佈在身體周圍。透過重新創造出類似於其原始對稱性的形態，該動物恢復了在海洋中生存的能力。
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水母觸手的特定排列對於其正常游泳和進食至關重要。水母具有所謂的輻射對稱，只要它可以像餡餅一樣分割以產生相同的切片，它的形狀可以是雪花或圓盤。水母透過拍打它們的觸手來推動自己在水中移動，從而在身體中產生脈衝。在每個脈衝中，水母的身體會變形以進行推進，吸入富含營養的水，然後恢復到其最初的碟狀形狀以進行恢復。這些脈衝需要完美輻射對稱才能使水母保持平衡。切掉一些觸手，動物就會在水中螺旋和蜿蜒，併成為一個非常容易被捕食的目標。
一個簡單的物理問題
這些水母透過加州理工學院團隊稱為“對稱化”的過程將自己重新組合在一起。與再生肢體不同，這種自我修復機制既不會產生也不會破壞細胞。相反，它依賴於水母肌肉的強大力量——它比聽起來更強大。
研究人員發現，缺少肢體的水母每次脈衝所施加的肌肉收縮力迫使其其他觸手均勻分佈。剩餘觸手的突然擁擠感導致水母將觸手彼此推開並向空曠空間移動，從而形成更穩定的配置。“在一個脈衝中，它可能看起來會回到原來的形態，”艾布拉姆斯說。“但經過數千次脈衝，它就形成了對稱。”
想象一下一輛失去前輪的馬車。在不改變其餘三個輪子的位置的情況下，馬車會被卡住。然而，將剩餘的前輪居中會重新平衡車輛，使其成為一輛功能齊全的獨輪車。功能相同，身體不同。
為了確定對稱化背後的驅動力，研究人員轉向了肌肉本身。當研究人員向海水中新增肌肉鬆弛劑時，水母的肌肉收縮如預期般減慢了。截肢後，這些生物也花了更長時間才重新組織它們的附屬物。相反，當研究人員減少海水中鎂的含量（一種也放鬆肌肉的常見礦物質）時，水母的對稱化速度更快。
艾布拉姆斯稱，Aurelia 將其觸手推入秩序的能力根植於其身體的“黏性”中。水母既柔軟又有彈性，可以在短時間內像橡皮筋一樣快速彈回，也可以在較長時間內像黏液一樣滲出。當水母移動時，它們的組織會在這些緊張和黏性的狀態之間交替。材料的流體和彈性特性的雙重表達的技術術語是粘彈性。這些張力/黏性迴圈基本上將水母的觸手彼此推開，直到它們均勻間隔。
這種癒合的捷徑對於一種由明膠製成的生物來說，簡直是救命稻草。《綜合與比較生物學》2010 年的一項研究表明，任何時候都有 33% 到 47% 的海底無脊椎動物受傷。換句話說，變得柔軟很難。
這一發現解釋了水母研究領域一個長期存在的、相對較小的謎團。專門研究水母的普羅維登斯學院的生物學教授傑克·科斯特洛說，科學家們長期以來一直報告看到觸手少於八條的“怪異”水母，但始終無法判斷這些異常是意外、突變還是其他原因造成的。但這些“意外”可能會幫助研究人員防止另一種型別的身體——這次是人造的——發生自身的事故。
塑造軟機器人領域
對稱化可能會為軟機器人領域的研究提供寶貴的見解，這是一個相對較新的領域，它從章魚和蠕蟲等缺乏剛性結構的“軟”生物中汲取靈感。
受這種靈巧性的啟發，設計師旨在在軟機器人中創造更大的運動自由度。這種移動性將使軟機器人能夠在非結構化環境中解決精細的任務。2013 年，哈佛大學的研究人員製造了一個受海星啟發的、能夠透過伸展和壓縮其可塑性身體來導航障礙物的運動軟機器人。
然而，這種特性使得這些機器人特別容易受到尖銳物體造成的切割和穿刺。達比裡認為，設計一種能夠從損傷中恢復的軟機器人將解決該領域面臨的最大挑戰之一。在《美國國家科學院院刊》的研究之前，研究人員試圖透過發明一種重新生長失去的組織的方法來解決這個問題。但是，對稱化可能會提供一個更好的捷徑。“水母向我們展示了一種可能更簡單、更優雅的解決方案：重新分配組織以在與您開始時不同的身體中保持功能，”達比裡說。
對合適材料的探索（這對軟機器人領域構成了另一個主要挑戰）也可能從月亮水母中汲取靈感。水母身體的粘彈性使其具有出色的肌肉力量和效率。達比裡說，由 95% 的水組成的水母具有“我們所知的任何動物中最高的每加侖英里數”。根據兩年前發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究，它們黏性和彈性的脈衝使用很少的能量就能推動它們在水中移動。
2012 年，達比裡和哈佛大學的生物物理學家基特·帕克生物工程製造了一種人造水母，它看起來和游泳方式都像真水母，儘管它完全是由大鼠心臟的細胞構成的。達比裡說，最新的發現讓他深入瞭解瞭如何將他的創造從實驗室的受控環境中取出，並與現實世界的尖銳物體進行對抗。