海洋中的神秘生物，掌握了超越人类的光纤技术

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△ 电镜下观察到的自然界中的光缆结构（来源：McCoy et al, 2024）

如果你在赤道附近潜入温暖的印度洋-太平洋海域，运气好的话，你可以在浅海的沙子或珊瑚礁中发现一些长着爱心形状的贝类生物，它们叫作心鸟蛤（Corculum cardissa and spp.）。它们漂亮的外壳和你在海边捡到的扇贝，饭桌上吃的生蚝、蛤蜊，甚至路边的石头一样，主要成分都是碳酸钙。

△ 一些心鸟蛤（来源：Dakota McCoy）

心鸟蛤的外壳有两面，一面总是朝着太阳，一面总是朝着沙子，中间夹着它们柔软的身体。如果朝太阳的那一面脏了，心鸟蛤就会从壳里伸出自己叫作“足”的结构，清理壳上的沙土。这些外壳看似结构简单，但当科学家用高精度显微镜观察它们时，却惊掉了下巴。

△ 心鸟蛤总是一面向阳，一面向沙（来源：McCoy et al, 2024）

他们发现，心鸟蛤朝太阳的那一面外壳，表面附着着密密麻麻的透明“小窗”，平均尺寸不到1平方毫米。这些“小窗”下藏着一束一束的、紧密排列的、比头发丝还细的纤维结构，其成分为碳酸钙的一种透明结晶形式——文石。如果朝这些纤维的一端射入一束光，光就会沿着纤维传播，从另一侧射出。而且从这些纤维的一端，还能清晰地看到位于另一端的图像，分辨率极高：在每毫米长度内，甚至能分辨出100条线。

△ 扫描电镜下心鸟蛤外壳上的光缆结构（来源：McCoy et al, 2024）

这种结构，让科学家感到既陌生又熟悉。陌生是因为他们此前从未在自然界中发现过类似的结构，熟悉是因为它像极了现代人类科技文明中随处可见的光缆（fiber optic cables）的结构。

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没有光纤就没有现在

一百多年前，人类最先进的远距离信息传输技术还是电话和电报。人们通过电话或电报发出的信息会被转化为电信号，然后以铜质电线为载体传播到另一个地方。但铜质电线能传播的信息量和距离十分有限，电信号容易衰弱丢失，还十分容易受到周围电磁场等的影响。

后来，人们发明了光纤。从此，更大规模、更稳定、距离更远的电子信息传播技术成为可能。

△ 光纤（来源：BigRiz - CC BY-SA 3.0）

光纤的核心通常是由玻璃或塑料等透明介质构成的细长管道，能允许光在其内传播。当一束光以特定角度进入光纤内部，会在内壁上不断发生全反射，并沿着光纤一直向前传播。而如果我们将进入光纤的光束转化为一段一段的光脉冲，那就可以让它们带上二进制的信息（比如将有光和无光时分别编码为1和0），沿着光纤传播到很远的地方。

△ 光纤内光通过全反射的方式传播（来源：Timwether - CC BY-SA 3.0）

将许多光纤集合在一起，就成了光缆。相比于由铜质电线组成的电缆，光缆可以一次性传输更大量的信息，传播距离也更远，还不易受外界影响。因此，光缆让人类世界有了更多的可能。如今的互联网、电视信号等的传播都离不开光缆。光缆将人类世界的信息连接了起来，有些人工铺设的光缆，甚至可以横跨整个大洋。

△ 光缆的结构示意（来源：Srleffler (talk) - CC BY-SA 3.0）

可以说，没有光纤和光缆，我们或许没法拥有能联通全球的互联网，人类现代的数字文明或许也没法存在。

但就是这样一种足以代表人类先进高科技文明的技术，却出现在了心鸟蛤这样简单的软体动物体内。这到底是疯狂科学家的离谱实验，还是外星人或海底神秘文明的残留痕迹？

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为了室友装光缆

当然都不是，这只是生命的奇迹而已。心鸟蛤壳上的“光缆”，是它们在演化过程中自己形成的，而这些光缆的作用不容小觑。

和蛤蜊、牡蛎、贻贝一样，心鸟蛤是属于双壳纲的软体动物。通常来说，动物都需要自己去寻找食物来维持生存。但在双壳纲动物中，有两类独立演化出了与光合作用藻类共生的能力，一类叫作大砗磲（Tridacninae），另一类便是心鸟蛤。

△ 双壳类动物的身体结构（来源：Scientific American, 1979）

大砗磲和心鸟蛤的外套膜、鳃和足里生活着许多微小的甲藻（dinoflagellates），它们的外壳可以给甲藻提供稳定安全的生存环境，它们产生的二氧化碳等还可以被甲藻作为光合作用的原料。而作为回报，甲藻通过光合作用制造的糖，也成了大砗磲和心鸟蛤重要的营养来源。

读到这里，有没有感觉有一丝不对劲？甲藻需要光合作用，但它们却生活在大砗磲和心鸟蛤的壳里面，那里面的环境不得黑黢黢的？甲藻光合作用所需的光又从哪里来呢？

对此，大砗磲的解决方案比较简单直接，它们会时不时地打开自己的壳，露出里面柔软的身体，让生活在里面的甲藻沐浴到阳光，从而保证光合作用的进行。一些大砗磲物种甚至会主动将外套膜伸出外壳，以获取更多阳光。

但这也会让大砗磲柔软的身体失去坚硬外壳的保护，一不小心就会被捕食者撕烂或吃掉。相比之下，心鸟蛤则采用了更安全也更加高级的方法——在外壳上装光缆。

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教教人类吧

在两个月前发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上的一项研究中，研究者采用高精度的激光扫描显微镜观察了心鸟蛤的壳。他们首先发现，壳上每个“小窗”下面，都有一个比沙子还小的半透明小凸起，成分依然是文石。计算机模拟表明，这些凸起起到了透镜的作用，能够将射入外壳“小窗”的阳光聚集成光束，送向心鸟蛤体内的甲藻。

△ 凸起透镜在心鸟蛤与甲藻共生中的作用（来源：McCoy et al, 2024）

随后，研究者换用扫描电镜继续观察这些“小窗”的精细结构，惊喜地发现了其中的“光缆”结构——这也是首次在自然界发现光缆结构。“在显微镜下，大多数心鸟蛤的外壳都具有分层结构，片状文石在不同方向堆叠，有些像花式砌砖。”论文第一作者，美国芝加哥大学的助理教授达科塔·麦科伊（Dakota McCoy）说，“然而，在壳上的‘小窗’区域，文石顺着阳光射入的方向，排列成了紧密的细如发丝的纤维，而非片状结构。”

此外，这些光纤能够让阳光中的红光和蓝光——光合作用最需要的光——进入心鸟蛤的内部，还能选择性地避免会损伤DNA的紫外线进入。“光缆和透镜共同构成了一个系统，可以过滤掉不适宜波长的光，却能聚焦光合作用所需波长的光，使其能足够深入外壳内部，让共生的甲藻获得尽可能好的光照环境。”这项研究的作者之一，美国杜克大学的生物学教授桑克·约翰逊（Sönke Johnsen）说。

计算机模拟还显示，这些光缆的大小、形状和排列方式是最优的设计。在同等条件下，这样的设计能够将更多的光线送到心鸟蛤壳内。约翰逊表示，有朝一日，这些心鸟蛤或许能为人类纳米级光缆的设计提供新灵感，创造出能远距离传播且不容易丢失信号的纳米级光缆。

那么下一步，心鸟蛤是不是该开发Wi-Fi技术了？

本文来自微信公众号“环球科学”（id：huanqiukexue），如需转载请联系 newmedia@huanqiukexue.com｜参考链接：

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-024-53110-x

[2] https://today.duke.edu/2024/12/build-better-fiber-optic-cables-ask-clam

[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/brv.12430

[4] https://journals.ku.edu/treatiseonline/article/view/6554/5996

[5] https://www.youtube.com/watch?v=gx7muAYinPQ&t=1s

[6] https://www.youtube.com/watch?v=zAVsTubdd_Q