科学家们揭示了两种独特机制如何协同工作以泵送活生物中的液体的新视角：纤毛导管的“火焰”模型和“地毯”模型。这些发现为研究和解决与纤毛功能障碍和液体积聚相关的严重健康问题提供了更清晰的见解，例如支气管扩张症、水头病和异位妊娠。此外，这项研究增强了我们对特定器官如何运作的理解。例如，帮助液体排泄的纤毛火焰可以作为研究人类肾脏疾病的模型。
科学常常经历范式转变，既有的理论受到挑战并被突破性的发现取代。南加州大学维特比工程学院的Kanso生物启发运动实验室因这样的创新转变而闻名，常常在著名的学术期刊上分享他们的研究成果。
该实验室最新发布的论文，刊登在自然物理上，标题为“流动物理引导纤毛器官的形态”。该研究阐明了“火焰”模型和“地毯”模型如何代表不同的液体泵送方法，适用于各种生物体。
在人体中，纤毛组织帮助通过气道、大脑室、脊髓管和生殖系统移动液体。这些纤毛具有“地毯”设计，类似于一层厚厚的短纤维直立在上皮表面。相反，许多动物具有显示不同纤毛配置的导管，被称为纤毛火焰设计，这种设计有着紧密排列的、相对较长的纤毛，在狭窄的腔道内纵向拍打。
人类没有纤毛火焰，意味着进化过程导致地毯和火焰之间形成了不同的形态。然而，教授Eva Kanso及其研究团队，包括南加州大学的博士研究生Feng Ling*和研究科学家Janna Nawroth*，确定这种差异是由特定的液体泵送需求所影响。
从本质上讲，这些结构的形状由其功能决定。研究人员建议，纤毛器官之间设计的相似性来源于机械限制，而不是它们的进化历史。
该出版物介绍了一套用于纤毛泵的普遍设计原则，提供了一个统一的流体模型，揭示了这两种传统上对立模型之间的意想不到联系。两个关键结构元素——腔道直径和纤毛与腔道的比率——使纤毛导管变体能够沿着从地毯到火焰的连续尺度进行分类。
研究结果表明，该光谱任一极端的设计都能产生最高的流速和压力生成，这对有效的散装运输和过滤至关重要。同时，位于这两者之间的设计则代表了最佳的高效混合体。
这些见解有助于更好地理解与纤毛功能障碍和液体积聚相关的严重健康问题，如支气管扩张症、水头病和异位妊娠。此外，它们还促进了对特定器官功能的理解，以帮助液体排泄的纤毛火焰为例，作为人类肾脏疾病研究的模型。
尽管在动物生理学中扮演着重要角色，纤毛导管的结构与其液体泵送能力之间的联系在很大程度上仍未得到充分探索，这主要是因为观察完整内部导管中的纤毛运动和液体流动面临挑战。通过实验工作和数学建模，Kanso实验室解决了这一复杂研究领域，提出了一种创新和直观的方法。这种方法将二分法转化为连续体，从而简化了科学研究和工程实践中的重大挑战。
*目前在慕尼黑Helmholtz先锋校园的Nawroth机械生物学实验室
