只有人类才会冶炼铠甲不,火山蜗牛也炼制了

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压力超过个大气压,没有一丝光线的深海里居住着什么样的生命?

深海像沙漠一样,满目荒凉,鲜有生命。但沙漠之中也有绿洲,而海底火山的热流喷口,就像沙漠中的绿洲,给冰冷的海底加入火热的温度,滋养着周围生机勃勃的生命。铁甲蜗牛,绿洲中的生命之一。

铁甲蜗牛,蜗牛家族里的大块头,背壳直径达到5厘米。大蜗牛居住在印度洋水深米热流喷口处。它的背壳覆盖了一层硫铁化合物的铁甲,铁甲可不是周围矿物质的沉积灰,而是蜗牛凭自己肉身炼制生长的。肉身炼制金属铠甲,自然界中只有铁甲蜗牛能做到(目前为止,还没发现其他动物有这项能力)。

除了独一无二的玄铁铠甲,大蜗牛还长了跟其他蜗牛不一样的腿脚。它的腹足上披挂着一层重叠的鳞片,鳞片跟背甲的材料类似,含有大量的硫铁化合物。比起铁铠甲,挂了铁鳞片的腹足更引人注目,铁甲蜗牛的学名以此命名,叫做:鳞角腹足蜗牛(Chrysomallonsquamiferum)。

在其他蜗牛吃菜叶子长几丁质甲壳的时候,铁甲蜗牛为什么能长铁甲壳?

铁甲蜗牛的内在结构

相比其他蜗牛,铁甲蜗牛肉体最奇特的地方有2处,一是不吃饭也长肉,二是有颗大心脏。

1、不吃饭也长肉

深海热流喷口附近,环境恶劣。海水中一高一低,硫化氢(H2S)浓度高,氧气浓度低。生活在附近的铁甲蜗牛,找不到可以果腹的食物,干脆不吃饭,在地上捡点儿泥巴吃。不吃有机物,只会喝毒水吃土石的蜗牛,全靠肚子里的细菌给身体提供能量。

相比普通蜗牛,铁甲蜗牛的身体结构有显著改变,为跟它共生的细菌打造了一个更加舒适的生活空间。

不吃饭,不用自己消化食物的铁甲蜗牛,消化系统缩小了很多,体积只有普通蜗牛消化系统的10%那么大。在简化的消化系统中,胃、肠都有缩小,但是食道腺的体积却明显扩大。在扩大的食道腺内,生活着一种单一细菌群落,γ-蛋白菌(γ-proteobacteria)。这类蛋白菌是化能自养微生物,类似于硫细菌和铁细菌,通过氧化硫化氢、铁化物的化学反应,产生能量,将碳元素固定到有机物中,给铁甲蜗牛提供营养。不吃饭的蜗牛,胃和肠子里唯一的物质是些石头一样的颗粒--硫铁化物。

与铁甲蜗牛的共生的细菌,不仅能内服,还能外用。在它的鳞片腹足上,驻扎着3种细菌群落:γ-蛋白菌,-蛋白菌,δ-蛋白菌。蜗牛分泌粘液将多种细菌粘在腹足上,细菌们参与了铁鳞片的制作,成品的主要成分是FeS2和Fe3S4。

跟普通蜗牛不同,铁甲蜗牛肥大的腹足没法缩回到背壳里。它给腹足挂上铁鳞片,就能抵御海底喷口喷出的热流和腐蚀性液体。腹足一直裸露在壳外,以前遮掩甲壳口的鳃盖没用了,所以,铁甲蜗牛的鳃盖消失了。

共生细菌γ-蛋白菌在有氧的情况下,工作效率更高。切换到无氧模式下,工作效率要低一些。为了给细菌提供充足的氧气,铁甲蜗牛长了一个比其他蜗牛要大的鳃,鳃的体积占身体体积的15.5%,增加的鳃表面积提高了从深海低氧水中提取氧气的能力。

上图是铁甲蜗牛的鳃。

2、有颗大心脏

消化系统缩减的铁甲蜗牛,呼吸系统增强了,还有,血液循环系统增强的幅度更大。

在蜗牛鳃的背后,是一颗非常大的心脏。铁甲蜗牛的心脏占身体体积的4%,而你的心脏只占身体体积的1.3%。连接强健心脏的是密集的血管网络,密密麻麻的血管包裹着食道腺,给腺体内的细菌输送所需养分。

上图是英国牛津大学团队绘制的铁甲蜗牛3D解剖图1,红色所示是血液循环系统,中间是蜗牛的单腔大心脏。发育良好的心室,心室壁非常厚,心肌增强。

铁甲蜗牛的血液循环系统不仅能输送氧气,而且还能输送硫化氢。蜗牛的血红蛋白分子上有跟硫化氢结合的特定点位,血液能把氧气和硫化氢运给体内硫自养细菌使用。除了血液运输外,呼吸系统能否运送硫化氢,还待研究。

上图是团队绘制的体内解剖图2,以颜色区分内部器官。灰色:消化道,绿色:食道腺,红色,循环系统,品红:神经系统。[百家号-法兰西is培根-未经授权请勿转载其他平台]

铁甲蜗牛的外在铠甲

铁甲蜗牛的肉体给共生细菌打造了一个安全舒适的生活空间,细菌回报蜗牛一副独一无二的铠甲。

铁甲一共三层,含铁化物的金属颗粒只有最外层才有。三层甲壳各有特点,各有作用。从外到内分别是:含铁矿化层,厚实的有机层,坚硬的钙化层。

上图是美国麻省理工大学纳米技术团队解构的铁甲分层。

最外层,30μm厚的薄层,硫化铁颗粒和有机物组成的复合结构。外层形成非均匀的波纹状表面,导致了不均匀的厚度。外层上的硫铁颗粒是FeS2和Fe3S4,涂了一层铁的铠甲抗击耐磨。用瑞士军刀划割表面,只留下浅浅一道白痕。Fe3S4跟Fe3O4结构类似,有铁磁性,也就是说,蜗牛的铁甲像吸铁石一样能够吸附铁器。中间层,μm厚的有机角质层。角质层类似普通蜗牛的贝壳质外层,但是比其他蜗牛壳薄薄的外层要厚实很多。内层,μm厚的结晶碳酸钙内层。内层分为3段:中间层到内层有一段渐变衔接,然后是多层碳酸钙和蛋白质交错组成的交叉层,最后是薄薄一层棱柱层覆盖住甲壳的内表面。当螃蟹攻击蜗牛时,会用钳子夹裂蜗牛壳。如果蜗牛壳坚硬抗击的话,螃蟹会一直钳住蜗牛壳施压,有时能持续几天,坚持到甲壳受力破裂为止。对付没法钳裂的大型甲壳动物,螃蟹会用钳子扎入壳内,一次扎不透就反复扎,一直扎到肉体为止。不过,遇到铁甲蜗牛,螃蟹就无能为力了,无论是钳夹,还是扎壳,它都没法破坏蜗牛的铠甲。

团队用压头机器测试铁甲的机械性能,机器有一个金刚钻尖头。机器逐层穿透铁甲,通过测量施加在壳体上的力,和壳体产生的位移,团队能够量化分析铁甲的机械性能。

三层甲壳的作用

外层:外层不均匀的几何界面,分散消耗了外加能量,阻止了外力破坏下的结构分层。外层上的细微裂缝,吸收了外加势能。硫化铁颗粒还能磨损螃蟹的蟹钳,刀具的刀锋。中间层:在坚硬的外层和内层中间,有弹性的中间层起到抗震作用,能阻止钙化内层受力时产生的裂缝进一步蔓延。厚实的中间层不仅能吸收外力,还能隔热,保护肉体不被热流灼伤。内层:坚硬的钙化内层是铁甲的结构支撑,抵抗铁甲在外力作用下的弯曲变形。三层甲壳比普通蜗牛的两层甲壳,在机械保护、抗磨损和抗渗透性方面都有大幅提高。学习蜗牛的铁甲,能够帮助团队设计出更好的军用装甲。

生活在深海,没有眼睛的蜗牛,在黑暗中摸索出一条跟细菌共生的路径。从此不用消化食物,只靠细菌喂养。把肉体打造成细菌工厂的蜗牛,还收获了一身铁鳞片和铁铠甲。自然界中,无论是甲壳类的外骨骼,还是肉体包裹的内骨骼,没有一种生物像铁甲蜗牛一样,以碳基肉体冶炼金属,骨骼上自然生长出金属颗粒。

铁甲蜗牛以生物之体打造了钢铁外壳,期待它在自己独一无二的路径上继续走下去,演化出更加令人震撼的铠甲。




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