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中国特有金线鲃洞穴鱼随着眼睛的退化，会进化出一种特有的头角结构，这是典型洞穴盲鱼的趋同进化的特征。虽然科学家们一直在苦苦寻找答案，但是大多停留于在储存脂肪、保护作用和有助传声等猜测阶段，尚未进行确凿的实验验证。“上帝给它关闭一扇窗，必定会为它开启另一扇窗”。已有研究表明，洞穴盲鱼具有发达的用于流场感知的侧线系统。那么，头角体型是否会增强洞穴盲鱼的流场感知能力，以补偿缺失的视觉能力呢？
近日，北京航空航天大学的蒋永刚课题组从侧线传感器官微观结构和流场感知功能的关系研究，拓展到鱼体宏观形态和流场感知功能的关系的新层次，通过计算流体力学仿真、粒子图像测速分析和机器鱼仿生验证等多种手段，发现洞穴盲鱼头角体型增强水动力感知能力：1）头角结构可以增强稳态流场和涡旋流场的水动力感知能力；2）头角体型可以增强洞穴盲鱼对水下障碍物的识别精度。相关工作以“Head
Horn Enhances Hydrodynamic Perception in Eyeless Cavefish”为题，发表在Advanced Science上，文章第一作者为北京航空航天大学马治强博士和博士研究生公正，通讯作者为北京航空航天大学蒋永刚教授。
第一作者：马治强 博士、公正 博士研究生
通讯作者：蒋永刚教授
通讯单位：北京航空航天大学
DOI: 10.1002/advs.202406707
侧线是一种机械感知器官，可赋予鱼类精确感知水下流场的能力，并辅助实现一定的行为（如趋流性等）。图1显示了金线鲃洞穴鱼头部侧线的详细分布及其与体型的关系。表征结果显示，常规洞穴鱼的头部管道侧线是完整的，占头部区间较大；而金线鲃洞穴盲鱼的头部管道侧线是间断的，仅保留吻部和头角部分。此外，体型会影响鱼体周边的流场分布。对此，作者做出科学设想：金线鲃洞穴盲鱼的头角体型可增强水下流场感知能力。首先，作者揭示了头角结构在稳态流场下增强感知的能力（图2）。利用三维扫描技术和逆向工程技术，建立了金线鲃洞穴鱼的高保真3D数字模型。随后，计算流体力学（CFD）结果在理论上表明金线鲃洞穴盲鱼的头角体型不仅促进对压力场的感知，而且促进对速度场的感知。采用离子图像测速技术（PIV）对3D打印而得的洞穴鱼物理模型头部附近流场进行表征，定性及定量地验证了仿真计算结果的准确性。进一步证实了头角体型增强侧线水动力感知的机理：头角体型会在洞穴盲鱼头部附近形成两个驻点，产生两个相应的高压区（即水动力刺激富集区），正好可被集中分布的管道侧线捕捉。此外，作者进一步揭示了头角结构在涡旋流场下增强感知的能力（图3）。设计并开发了集成有人工侧线系统的洞穴鱼模型，以实时检测水动力压力变化。结果证实，与常规有眼洞穴鱼相比，洞穴盲鱼具有更高的涡街识别准确度、更强的水动力刺激、更强烈的管道侧线响应。CFD和PIV表征，揭示了潜在的增强感知机制：当涡旋流场与洞穴鱼模型交互作用时，在吻部会观察到涡旋的产生；在常规有眼洞穴鱼的身上，涡旋会向尾部移动，并与鱼身体进一步分离；相反，在洞穴盲鱼中，该涡旋最初沿着身体向下游移动，最终在头角区域消散。鱼类水动力感知的终极目标是完成一些日常生活中的必要行为。例如，鱼类可仅根据检测到的涡流信息准确地识别出不同的猎物和物体。受此启发，作者探索了头角结构在水下障碍物识别这一行为层次上的增强感知能力（图4）。不同的障碍物具有不同的表面轮廓，产生不同的水动力刺激；相应地人工侧线系统的输出也有所不同。结合机器学习算法，便可对这些水动力刺激进行有效分类识别。实验结果表明，洞穴盲鱼的水下障碍物识别准确度高达95%，比传统有眼洞穴鱼的识别精度高17%。即使降低水动力刺激的时长、缩减压力传感器的数量，洞穴盲鱼的高精度识别优势仍保持不变。研究工作是在北京航空航天大学仿生微纳系统研究所团队的支持下，与苏州大学吴鹏教授和中科院动物所赵亚辉研究员合作完成，还受到了波恩大学H. Bleckmann教授的诸多建议和指导。Head Horn Enhances Hydrodynamic Perception
in Eyeless CavefishZhiqiang Ma, Zheng Gong, Yonggang Jiang,*
Peng Wu, Changxin You, Zihao Dong, Hongchao Cao, Zhen Yang, Yahui Zhao, Huawei
Chen, and Deyuan ZhangDOI: 10.1002/advs.202406707原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202406707
来源：科研留声机
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