生物演化造就的杰作，还能给科学家带来多少灵感？2024年生物仿生学的新启示︱盘点

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人类一直在发明创造。伟大的发明让生活更简单更愉悦，也更具可能性与想象力。

对发明家来说，自然界生物可以带来源源不断的创造灵感。

例如，2024年，受到水母启发的中英联合科学家团队开发出水溶性、无毒的荧光喷雾，可于10秒内检测出犯罪现场的指纹。由论文可知，他们基于水母体内的绿色荧光蛋白，创建了两种不同颜色染料，可与指纹中带负电荷的分子结合，并发出强烈荧光。

另一项亮眼突破是借鉴蜘蛛网的超灵敏麦克风。

蛛丝受到空气中声波的细微扰动后会振动——这给蜘蛛的听力“外包”提供了物理学基础。圆网蜘蛛用自己制造的蛋白质蛛网当声学传感器，使听力升级、扩展、摆脱自身体型限制。轮状蛛网就是超灵敏声波天线(hyperacute acoustic antenna)，它对空气粒子运动(由声波引起)的捕捉接近最大物理效率，比过去已知的任何耳膜都更具声学响应性。

科学家通过模仿蛛网结构做出的麦克风比标准麦克风更浓缩更精华，因为后者是根据人类耳膜设计的。

发明团队表示，蜘蛛丝可以继续革新声音技术，未来有望实现用于及早发现听力损失的技术以及探测龙卷风形成前低频声音的技术。

当然话说回来，这些发明的基础都是生物学新知的构建。那么在2024年，学术界新增了多少极具应用潜力、可能带来创新的生物学新发现呢？近日，美国科学杂志《史密森尼》 (Smithsonian) 选出了最具发明潜质的年度生物学发现。

鮟鱇鱼

“爱”你就要化作你

贪财的人风生水起，追爱的鱼物理入赘。对于雄性鮟鱇鱼 (Lophiiformes) 来说，深海下的“爱”，可分为三大步。

第一步，通过探测雌性鮟鱇鱼嘴里大量发光细菌的光亮或追踪雌性的气味，找到入赘目标；第二步，咬住、吸附于雌性的鳃盖或腹部；第三步，将自身血肉融入雌鱼身体，成为其一部分，除了精囊，其他器官都逐渐退化消失。从某种意义上说，雄性变成了雌性体内一个专门提供精子的“性器官”。

一条迷你的雄性正尝试与巨大的雌性融合

科学家将这种奇怪的爱情称作“专性寄生” (obligate sexual parasitism)。 根据2024年6月《当代生物学》 (Current Biology) 杂志报道的一项研究，鮟鱇鱼的这种交配策略或许正是它们家族兴旺繁荣的原因。

在距今3500万至5000万年前，鮟鱇鱼的祖先逐渐失去于浅水中用特殊的鱼鳍“行走”的习惯，转而下沉深海。此转变发生于导致大量物种灭绝的全球变暖时期——科学家发现，这也是鮟鱇鱼演化出专性寄生的时间段。

从遗传学角度来说，专性寄生策略要成功，雌鱼必须具备两个条件。第一，雌鱼必须比雄鱼体型大得多。第二点更重要，那就是雌性必须降低自身免疫防御能力，从而保证机体不会攻击试图融入的小体型雄性。

新研究的作者之一、耶鲁大学演化生物学家托马斯·尼尔 (Thomas Near) 表示，鮟鱇鱼的免疫抑制或将成为人类器官移植和植皮术的关键。它是未来医学研究的一个有趣领域。

栉水母也拥有类似能力。栉水母是一种原始的海洋生物，被视为动物演化树上的第一个分支。 (它与水母的演化关系可谓八竿子打不着。) 2024年 10月，另一组研究人员于《当代生物学》发文称，栉水母受伤后，可能会与另一个体融合——神经系统和消化系统都可以融合，而且融合的速度与程度是惊人的。

栉水母的融合也激发着科学家的灵感：一方面，这可以为防止器官移植排斥反应提供研究思路；另一方面，探究这些生物融合后的神经元协同工作的机制，或许会带来神经再生的策略。

马塔贝勒蚁

仁蚁泌药，口到菌除

马塔贝勒蚁 (Megaponera analis) 生活于撒哈拉以南地区，每天都面对生命危险。因为它们专门以白蚁为食，但不入蚁穴焉得白蚁，在向戒备森严的白蚁巢进攻的过程中，约20% 的战队成员有腿部受伤风险。

伤口感染往往意味着死亡。但不弃伤员的蚁队具备医疗技术，同伴会制造抗菌分泌物用以帮助负伤者防感染。

一只马塔贝勒蚁正处理它同伴的伤口

德国维尔茨堡大学动物生态学家埃里克·弗兰克(Erik Frank)与同事深入观察了马塔贝勒蚁医学。他们通过一系列实验和分析发现，马塔贝勒蚁能够分辨同类是否存在伤口感染，判断依据似乎来自外骨骼中碳氢化合物特征的不同；治疗过程中，蚁医生会从自己或伤员后胸部的腺体中取药，即一种含50多种成分、具备抗菌等功效的分泌物，接着放入口中并给对方上药。

受伤蚂蚁如果与同伴隔离，那么它们在伤后36小时内的死亡率高达90%；如果有蚁群照料，死亡率仅为22%。

弗兰克等人于《自然-通讯》 (Nature Communications) 杂志发表了研究成果，并表达见解：除了人类，似乎没有其他生物能像马塔贝勒蚁这般针对伤口进行如此复杂的医学处理。

鉴于蚂蚁伤口的主要病原体铜绿假单胞菌也会感染人类，且其中有几种菌株对抗生素具备耐药性，蚁医生的秘技或将助力人类医学。

心鸟蛤

伙伴，我来给你开扇窗

很多人爱吃蛤蜊，最常上国人餐桌的种类包括花蛤、青蛤、白蛤等，它们都是双壳类软体动物，帘蛤目下的成员。帘蛤目还包括了两个拥有独特“光共生” (photosymbiotic) 能力的家族，砗磲科 (Tridacninae) 和鸟尾蛤科 (Cardiidae) 。所谓光共生，是指动物通过共生关系间接利用阳光。

以鸟尾蛤科下的心鸟蛤 (Corculum cardissa) 为例，与它们柔软的身躯共同安居于贝壳里的、还能开展光合作用并以此给宿主贡献营养的藻类。至于为什么壳内的藻类能被阳光照到，原因在于心鸟蛤的壳自带一块透光窗口。这是生物演化造就的杰作，而且内藏遥遥领先人类工业的光纤技术。科学家于11月的《自然-通讯》报道了他们对蛤蜊光纤的研究成果。

心鸟蛤壳上的“窗口”可以通过光纤将阳光送到内部

他们发现，心鸟蛤的壳由一种称作霰石/文石 (aragonite) 的碳酸钙晶体构成，大部分都为板状结构；但在中间区域的透光窗口，霰石结构被拉伸成毛发状纤维的结构。这些纤维通道将红光和蓝光 (光合作用的最佳波长) 高效传输至壳内，同时阻挡住有害的紫外线辐射。

作者团队借助计算机模拟，尝试了纤维的不同尺寸、形状和取向，旨在设计更有效的结构方案，但结果表明，蛤蜊的演化就是最佳设计。

基于此新发现，未来工程师有望模仿软体动物结构，制造性能更优越的霰石光缆，实现更快速的远距离信息传输，变革无线通信技术。另有观察人士指出，未来甚至有望摆脱在光纤上涂昂贵的反射涂层的需求。

新发现也为海洋保护工作带来启示。由于自带“防晒霜”，心鸟蛤能限制可能损害其DNA和藻类DNA的紫外线，从而避免在较温暖水域中发生白化——此现象会影响珊瑚和其他蛤蜊。研究人员表示，蛤蜊光纤技术可以在海洋变暖的大环境下保护珊瑚及其共生藻类。

大丹鱼

风浪越大，鱼组队

科学家很早就知道，与同伴成群结队地群游行会帮助鱼类更不易受到捕食者攻击。 鱼群的协同扩张和收缩可能迷惑潜在攻击者，使其难以锁定队伍里的任何一个个体。 不过研究人员想知道鱼群是否还有其他作用，例如帮它们节省能量？

为回答上述问题，有科研团队将大丹鱼 (Devario aequipinnatus) 放上“跑步机”——一种通过螺旋桨产生水流的游泳专用闭环。当鱼逆流而上时，高速摄像机捕捉下它们的动作，探测器测量其消耗的氧气量，以反映能耗情况。在一部分试验里，大丹鱼成群游动；在另一些试验里，个体独自游行。

结果显示，大丹鱼成群游动时的能耗比独自游时低79%。这种现象与自行车骑手编队骑行以减少空气阻力有着相似原理。成群游动可以避免湍流影响，使鱼群无论面对浪急流湍还是水波不兴，都以差不多的能量输出前行；但如果是落单的大丹鱼身处湍流，它需要增加约22%的能耗来维同等于平稳环境下的游速。这些新发现刊载于《公共科学图书馆-生物学》 (PLOS Biology) 杂志。

一群大丹鱼在“水下跑步机”中游泳

探究大丹鱼等鱼群的流体动力学可为机器人技术发展铺垫基础。例如，飞行无人机舰队可以遵循类似原理行动从而节省电力。又例如，可将游泳机器人设计成小鱼成群而非大鱼独行的模式。

新发现也可能给鱼类带来影响：随着海洋变暖，鱼类不得不消耗更多能量来游动和维持体温。记录它们运动时的能量需求将帮助科学家更好预测鱼类面对多变环境的生存策略。

猿药师

这活我也能干！

研究表明，当类人猿生病或受伤时，它们可能会像人类一样寻找药物并给自己用药。森林即药房，采药有“猿”方。 （）

2024年6月，《公共科学图书馆-综合》 (PLOS One) 杂志报道了一项发现：研究团队曾对乌干达布东戈森林 (Budongo Forest) 里的两组黑猩猩开展为期8个月的追踪，观察其饮食以及是否出现疾病迹象——判断方法是检查伤口和检测尿液与粪便。后来团队锁定了黑猩猩常用的13种植物。它们的营养价值不高，但具备抗菌和消炎功效；在某些情况下，患病的黑猩猩会花大力气去找这些植物。

论文主要作者、牛津大学灵长类动物学家艾洛蒂·弗莱曼 (Elodie Freymann) 表示，黑猩猩的药谱可能为人类新药研发新开一扇窗。我们不可能测试森林里每种植物的药用价值。那何不直接关注已获黑猩猩认证的候选者？

另一项类人猿自我治疗的案例刊载于5月的《科学报告》 (Scientific Reports) 。

论文作者在印度尼西亚丛林中观察红毛猩猩的生活。一天，他们发现名为“拉库斯” (Rakus) 的雄性苏门答腊猩猩面部有伤；几天后，拉库斯开始咀嚼药用藤本植物假黄藤 (Fibraurea tinctoria) ，并将其汁液涂抹于伤口；又过一日，猩猩吃下了这种在其饮食结构中只占0.3%的草药。不到一周后，伤口愈合，感染无有。

伤口愈合前后的拉库斯

此项成果除了启发科学家探索新的自然疗法，还表明自我治疗能力源远流长，并非只有人类采药用药。正如论文作者、马克斯·普朗克动物行为研究所的灵长类动物学家卡罗琳·舒普利 (Caroline Schuppli) 所言，猩猩与人类“共享知识”。

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