江蘇雷射聯盟導讀：許多動物都為了適應生存而具有與之相適應的複雜的結構，但很少利用完全由動物製造的材料製成。在海洋的中部，許多動物會分泌出粘液結構，並且起著十分重要的作用。然而，由於這些生物生活在海水中，對他們的觀察是一個非常大的挑戰，所以目前對這些黏液結構了解比較少。在這些粘液狀形式中，幼蟲的房屋是大自然的奇蹟，在海洋暮光區，巨大的幼蟲分泌並建造了直徑超過1平方米的粘液過濾結構。在這裡，來自美國蒙特利灣水族館研究所為大家展示了採用雷射原位影像測量技術對粘液過濾結構進行了3D模型重建。該模型展示了高解析度巨型幼蟲房屋的結構和闡述了該房屋結構在如何作為食物捕獲和捕食者迴避的相關作用。如今現存的研究黏液結構的工具正在開展相應的海洋研究，這一新的研究結果可以為我們研究、闡述複雜結構生物的本質提供了方便有效的手段。相關論文於2020年6月3日發表於頂刊《自然》。
A巨型幼蟲，B觸角，在它的黏液餵養結構中，包括一個內部和一個外部的房屋
圖解：a, 內部和外部的房屋結構用來進行黏液的餵養結構； b–e, 白色光； (b, c) 雷射片光； (d, e) 在兩側點亮； (b, d) 在背側的; (c, e)海洋中部的巨型幼蟲的實物圖； B. 觸角. fcf, 食物集中的黏液; ih, 內部的房屋; ihw, 內部房屋的牆壁; oh, 外部房屋; si, 遺棄的房屋; st, 懸垂線; ta, 尾巴; tc, 尾室 ; tr, 鼻子. 圖中的標尺為, 4 cm.
mucus filters
粘液過濾器
採用DeepPIV 系統中的雷射來展示幼蟲的內部結構，揭示出其內部的神秘結構
生長在幾乎是零重力的環境中，許多深海動物進化為軟體、凝膠體的身體並且使用精細的粘液結構來捕獲食物。直到今天，研究這些複雜的生物結構依然是幾乎不可能的。但近期發表在《Nature》上的一篇文章，打破了這一困境。這篇文章介紹了採用一種獨特的雷射系統來對透明海洋動物和神秘黏液結構的海洋生物進行了3D模型的重建。
根據來自美國蒙特利灣水族館研究所的研究人員發表在《Nature》上的論文：黏液結構是海洋生物中非常普遍的一種生物，並且黏液結構的複雜結構是動物實現餵養、維持生命和自我保護整個過程的關鍵。現在他們（指研究人員）已經有一種辦法來很好的觀察這些深海的黏液結構在表面以下的結構，並且我們可以最終了解掌握他們的功能效用以及他們在海洋中所扮演的角色。
巨型幼蟲的3D重建模型及其內部的房屋 以及黏液結構產生複合結構的模型
圖解： a–e, 重建的模型可以促使我們很好的看清其獨特的結構（如灰黑色區域），包括它所捕獲的動物 (a; 所有面板為黑色 )； (a; 所有面板為黑色 ), 入口黏液和懸垂線緊挨動物 (b),包含實物的黏液和頰面管 (c), 房屋內部的牆壁 (d)以及房屋內部的入口管道 (e). f, 整個房屋內部的模型；標尺為T4 cm.
為了這一項研究，研究人員主要聚焦於一種多產粘液結構，這是一種深海動物，稱之為幼蟲。幼蟲是一種在海洋盆地非常盛行的動物，並且其長度從1cm到10cm之間變化。被稱之為「巨型幼蟲」是因為它會製造出一種類似氣球一樣的粘液網，這一粘液網可以大到一米左右。在這一黏液結構的內部，拳頭大小的內部黏液結構是動物用來餵養微小粒子和有機物的，其範圍可以從小到微米級別，大到幾個mm的尺寸範圍。
儘管這種動物是虛體結構，幼蟲可以從周圍的水中搬走大量的富碳食物。在它們的黏液結構的幫助下，阻塞的動物可以釋放出黏液，從而使得其能夠迅速的沉入海底、這可以幫助海洋從大氣中的CO2搬運並從海底中的水柱攜帶走微型塑料。
採用傳統的線條草圖和採用雷射DeepPIV進行巨型粘液房屋構建的對比圖
a–f, 巨型幼蟲內部的黏液房屋的無透視三維的 (a, b), 前部的(c, d) and 兩邊的 (e, f) 三維重建模型 (a, c, e) 和傳統的線條草圖(b, d, f) 。在三維結構中幼蟲顯示為黑色，內部通道在 b, e, f中不顯示，外部房屋在以上圖中均不顯示; 標尺為4 cm.
來自蒙特利灣水族館研究所的研究人員一直對幼蟲是如何通過其黏液結構實現從小到粒子大到處理一小時80升水的處理能力。早期的研究曾經在實驗室觀察到小型的幼蟲的處理過程。但本文報導的卻是第一次在深海環境中觀察到充分的巨型幼蟲使用黏液進行捕獲食物的數據。
為了採集以上數據，一個由仿生學家、工程師、科學家和潛水員組成的團隊發展了一種測量儀器稱之為「DeepPIV (PIV stands for particle imaging velocimetry，即粒子成像測速)」。將該設備安裝在遙控潛水器上，DeepPIV設備則投射雷射片光，照射水中的粒子，這種情形就像太陽光照射塵埃一樣。通過記錄這些粒子運動的視頻，研究人員就可以量化周圍海洋生物的微小電流的變化和水流通過黏液以及進行透明身體的過程。
雷射掃描耦合顆粒流場的測量揭示黏液房屋的功能和結構
a, Generalized flow direction (indicated by black arrows weighted by flow volume; dashed grey arrows show flow in occluded passageways) inside the larvacean mucus house. b–e, Views at different points within the mucus house—as indicated by coloured dots and arrows in a—show finer details from within the tail chamber (b; green dot and arrow in a), the posterior end of the main inner filter chamber (c; blue dot and arrow in a), the anterior end of the main inner filter chamber (d; orange dot and arrow in a) and between the main inner filter chamber and exit chamber (e; red dot and arrow in a). Scale bars, 1 cm.
DeepPIV的硬體及其部署
在DeepPIV進行部署的時候，研究團隊發現，當遠程控制潛水器來回移動的時候，雷射片光能夠揭示巨型幼蟲一系列的透明截面、凝膠體和黏液結構。將這些截面一一進行組合，研究團隊就可以製造出個體巨型幼蟲的3D重建圖及其黏液結構，這一過程同醫療中的影像學家對人體進行掃描獲得三維圖像相類似。
這一技術的關鍵在於首先要獲得高可靠性的視頻圖像，而完成這一任務需要非常有經驗的遠程潛水器。本項目同時採用了可以承載12000磅的機器人來移動毫米厚度的雷射板來回掃描巨型幼蟲，該巨型幼蟲拳頭大小的黏液結構會在海洋表面之下漂浮幾百米遠。通過將巨型幼蟲在黏液流動的條件下的三維模型進行整理，該團隊第一次識別出不同巨型幼蟲的黏液的形狀及其不同的功能。採用3D渲染軟體，他們可以非常清晰的觀察到黏液內部以及液體流動和粒子穿過黏液的現象過程。
現在，終於可以有一種技術來理解這種複雜的生物結構了以及他們是如何工作的。在這之前，還沒有一家單位可以進行3D重建黏液結構。研究團隊同時期望能夠理解和掌握這些幼蟲構建和使這些結構充氣的原理，這將有助於團隊很好的設計3D印表機或構建複雜的充氣結構以便在更多的環境中使用。包括在水下和外層空間。
參考資料：美國蒙特利灣水族館研究所
來自：Revealing enigmatic mucus structures in the deep sea using DeepPIV, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2345-2 , www.nature.com/articles/s41586-020-2345-2