动物的最大奔跑速度在中等体型的物种中最容易出现

动物的最大奔跑速度在中等体型的物种中最容易出现 为了探究其中的原因，一个由帝国理工大学、哈佛大学、昆士兰大学和阳光海岸大学组成的国际研究小组开发了一个物理模型，研究肌肉这种动物通用的运动是如何限制陆地动物的最高奔跑速度的。领衔作者、伦敦帝国学院生物工程系的戴维-拉邦特博士说："跑得最快的动物既不是大象，也不是小蚂蚁，而是像猎豹这样中等大小的动物。为什么奔跑速度会打破支配动物解剖和表现的大多数其他方面的规律模式呢？"他们的研究结果表明，最大奔跑速度并不像以前认为的那样只有一个限制，而是有两个限制：肌肉收缩的速度和程度。动物所能达到的最大速度取决于最先达到的那个极限，而这个极限是由动物的体型决定的。论文共同作者、阳光海岸大学和昆士兰大学的克里斯托弗-克莱门特教授说："我们模型的关键在于理解最大跑步速度既受到肌肉收缩速度的限制，也受到肌肉在收缩过程中缩短程度的限制。与猎豹体型相仿的动物，其体重在 50 千克左右，这两个极限在此重合。因此，这些动物的速度最快，时速可达 65 英里"。研究结果发表在《自然-通讯》上。测试极限第一种限制被称为"动能容量限制"，它表明较小动物的肌肉受到其收缩速度的限制。因为相对于体重而言，小动物会产生很大的力，所以小动物跑步就有点像骑车下坡时试图用低速档加速。第二个限制被称为"工作能力限制"，它表明大型动物的肌肉受到其肌肉收缩程度的限制。由于大型动物较重，它们的肌肉相对于体重所产生的力量较小，因此跑步更类似于用高挡骑车上坡时试图加速。共同作者、哈佛大学的彼得-毕肖普博士说："对于犀牛或大象这样的大型动物来说，奔跑的感觉就像举起一个巨大的重物，因为它们的肌肉相对较弱，而重力要求它们付出更大的代价。由于这两方面的原因，动物最终不得不随着体型的增大而放慢速度"。为了测试模型的准确性，研究小组将其预测结果与从 400 多种陆地动物（从大型哺乳动物、鸟类和蜥蜴到小蜘蛛和昆虫）中收集到的有关陆地动物速度和大小的数据进行了比较。该模型准确预测了体重相差 10 个数量级以上的动物（从 0.1 毫克的小螨虫到 6 吨重的大象）的最大奔跑速度随体型的变化情况。他们的发现揭示了肌肉进化背后的物理原理，可以为未来设计出与最优秀的动物跑步运动员的运动能力相媲美的机器人提供参考。除了解释动物的奔跑速度，新模型还可能为理解动物群体之间的差异提供重要线索。蜥蜴和鳄鱼等大型爬行动物通常比大型哺乳动物体型小、速度慢。共同作者、昆士兰大学的泰勒-迪克博士说："一种可能的解释是，按重量计算，四肢肌肉在爬行动物体内所占的比例较小，这意味着它们在体重较小的时候就达到了工作极限，因此必须保持较小的体型才能快速移动。"该模型结合现代物种的数据还预测，体重超过 40 吨的陆地动物将无法移动。现存最重的陆地哺乳动物是非洲象，重约 6.6 吨然而一些陆地恐龙体重可能远远超过 40 吨。研究人员说，这表明我们应该谨慎地根据非灭绝动物的数据来估计灭绝动物的肌肉解剖结构。相反，他们认为这些数据表明，已灭绝的巨型动物可能已经进化出了独特的肌肉解剖结构，这值得进行更多的研究。这项研究提出了关于体型庞大的恐龙如何移动的问题，以及需要对特定动物群（如爬行动物或蜘蛛）进行更有针对性的数据收集的问题。虽然这项研究只针对陆地动物，但研究人员下一步将把他们的方法应用到飞行和游泳动物身上。拉邦特博士说："我们的研究提出了许多有趣的问题，既涉及已灭绝动物的肌肉生理学，也涉及当今活着的动物（包括人类运动员）的肌肉生理学。物理限制对游泳和飞行动物的影响不亚于对奔跑动物的影响解开这些限制是我们的下一个议程。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

差一点 河马就成了美国人主要的肉类牲畜

差一点 河马就成了美国人主要的肉类牲畜 1884年，水葫芦在新奥尔良的展览会上赢得了当地居民的喜爱，成为最受欢迎的栽培植物。然而这种植物原产自南美洲，对美国来说是外来物种，在得天独厚的异国他乡，它的生长非常疯狂。不到20年的时间，水葫芦从栽培植物发展成让人头疼的入侵物种。正值1910年，美国城市呈爆炸式增长，导致廉价的肉类紧缺，美国陷入了“缺肉危机”。于是，有人提议：我们可以开办河马牧场来解决缺肉的问题。主要的支持者就是路易斯安那州的布鲁萨德，1910年3月24日，他在会议上阐述了“河马牧场”这个项目。他认为养河马是一箭双雕的好项目，一来河马可以吃掉水里泛滥成灾的水葫芦，二来河马体型大，平均体重可达1.5吨，出肉率非常高。为了说服更多的人，他还请了3个专家站台：欧文是农业部研究员，他认为河马养殖不会占用主要农田，而且每年至少能增加100万吨肉类供应；伯纳姆是一名军人，他在非洲驻扎时，就意识到河马非常具有养殖潜力；杜肯则是一名土生土长的非洲人，他表示在非洲保护河马之前，当地人吃河马很普遍，而且河马肉口感很不错，介于猪肉和牛肉之间，尤其是胸口肉部分，经过腌制，非常美味。为此，《纽约时报》还将河马肉委婉形容成“湖牛培根”！历史上，这个法案被称为“美国河马法案”，支持者认为，只要通过这个法案，然后投入25万美元，那么接下来美国就不会出现无肉吃的局面。当时，这个法案支持者众多，但是，最终还是被搁置了，没有实施。因为有科学家反驳了欧文的说法，认为水葫芦水分高，营养价值低，这种食物对于河马来说，就是减肥餐，河马是不会喜欢这种食物的。而且河马，只是看起来很憨厚，其实非常危险，不容易被驯服。确实，从现在角度来看，得亏美国没有同意养河马。要不然，美国会成为第一个开办河马牧场的国家，也会成为第一个河马失控的国家。如今对河马束手无策的哥伦比亚，就是最好的例子。4头到100多头，大毒枭遗留的河马失控，哥伦比亚头疼不已！20世纪80年代，哥伦比亚的大毒枭Pablo Escobar曾从非洲进口了4头河马，入住他创办的私人动物园。1993年他死后，这4只河马，1雄3雌，因为体型太大太难搬运，就在原地放生了，处于野外生长的状态。在哥伦比亚，河马没有天地，这里雨水充沛，没有旱季，食物也充足，导致这4头河马生长迅速，繁殖力也很惊人。一般来说，非洲雄性河马9岁才能繁殖后代，而哥伦比亚的河马，3岁就可以当“爸爸”，可育年龄至少提早了6年。在不可控制的繁殖下，河马的数量越来越多。1993年，4头；2007年，16头；2014年，40头；2019年，预估有120头；2023年，数量差不多有200头。按照这个速度增长，到2035年，河马数量将达到1000头以上。为了控制河马的数量，当地还采取了多项措施，但几乎都失败了！扑杀。2009年，一只叫佩佩的河马因为太“调皮”，被猎人杀死。这一行为受到国内外动物保护组织抗议，本地的居民也反对杀害“这么可爱”的动物，随后，杀死河马计划就终止了。节育，最早节育用的是传统的方式，先抓再阉割，但由于经费比较昂贵，后来就停止了。据说处理一头河马，需要5万美元。2021年，开始使用化学节育，给河马打一针疫苗，让其无法生育，但活动也受到了很多人的反对，被迫终止了。2023年3月，为了缓解压力，哥伦比亚不得不到处“送河马”，花了至少350万美元，用来运输70只河马，转送给印度和墨西哥。随后在11月还宣布，每年都会对40头河马进行绝育，预估，每一头河马的绝育成本是1万美元。如此煞费苦心、大费周章地管控下，如今，也就是2024年，河马的数量依然还有169头。这些河马占据着主要河流，不停地吃，不停地拉。它对生态最大的危害在于，将大量粪便拉在水里，导致水系出现有害藻华，大量水生动物死亡。与此同时，河马也时常出入人类区域，已经表现出攻击人类的行为。当地居民也很害怕，希望有关部门能尽早解决，毕竟谁都不希望自己家边上有个“不受控制”且“具有攻击性”的大型动物。最后总的来说，美国放弃养殖河马，算是逃过一劫。哥伦比亚现在就像供着“一堆祖宗”，杀也杀不了，会被抗议起诉；管又管不好，费钱费力，效果也不好；不管，更要被指责。吃，更是不可能的，全世界河马现在都属于保护动物！到最后，只能和其他城市动物一样，倡导人类和河马和平共处！ ... PC版： 手机版：

加州理工学院研发出速度极快的生物杂交水母：一种半胶质半机械的生物

加州理工学院研发出速度极快的生物杂交水母：一种半胶质半机械的生物 约翰-达比里教授研究这种生物已经有一段时间了，他曾为我们带来了一种受水母启发的柔性泵、一种由心脏组织和硅胶组成的人造水母，以及一种能让水母的游泳速度比正常快三倍的类似起搏器的装置。加州理工学院和斯坦福大学的科学家们正在研究如何利用水母收集与气候变化有关的数据，如海洋深处的水温、盐度和含氧量。研究中使用的生物杂交水母在垂直水槽中头朝下游动的多次曝光照片由于水母全天都会在水体中上下游动，因此为它们配备可在水面上回收的数据记录传感器是很有意义的。这样做比制造一个完全的机器人水母要便宜得多，也容易得多。然而，一个问题在于水母游得太慢，无法发挥实际作用。在这方面，"起搏器"帮了大忙。这个小装置挂在水母的底部，可以产生电脉冲，从而提高水母用来推动自己前进的脉动速度。因此，它们的游泳速度从每秒约 2 厘米提高到 6 厘米（0.8 英寸到 2.4 英寸），如果能更快就更好了。有鉴于此，达比里和研究生西蒙-阿努什切克（Simon Anuszczyk）制作了3D打印的"前体"，将其固定在水母身体的顶部。这些流线型装置可以减少水动力阻力，它还具有中性浮力（因此不会导致水母自然下沉或上浮），同时还可以作为传感器和其他电子设备的外壳。每只生物杂交水母的硬件总成本约为 20 美元在一个具有垂直水流的垂直水槽中进行的测试发现，装有起搏器和前体的水母的游动速度比携带相同重量负荷的天然水母快4.5倍。科学家们现在正在开发抗压电子设备，他们还希望让生物杂交水母可以遥控转向这样它们就能做更多的事情，而不仅仅是直上直下。是的，整件事听起来确实有点吓人，但达比里相信他已经解决了这个问题。"水母是最原始的海洋探险家，它们能到达海洋最深的角落，在热带或极地水域也能生存，"他说。"由于它们没有大脑，也没有感知疼痛的能力，因此我们能够与生物伦理学家合作，以符合伦理原则的方式开发这种生物杂交机器人应用"。有关这项研究的论文最近发表在《生物启发与生物仿生学》（Bioinspiration & Biomimetics）杂志上。您可以在以下视频中看到仿生啫喱的动作： ... PC版： 手机版：

果蝇肌肉的详细线路图揭示了意想不到的复杂性

果蝇肌肉的详细线路图揭示了意想不到的复杂性 研究人员说，果蝇看似简单，但它们的运动系统却包含了"意想不到的复杂程度"。科学家们观察到："一个典型的苍蝇运动神经元接受来自数百个突触前运动神经元的数千个突触。这一数字与啮齿类动物大脑皮层锥体细胞的突触整合规模相当"。控制果蝇腿部和翅膀肌肉的运动神经元解剖重建图。图片来源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio发表在《自然》科学杂志上的两篇新论文揭示了这一领域的最新发现，加深了我们对动物中枢神经系统如何协调单个肌肉以促进各种行为的理解。雌果蝇起飞和飞行所涉及的各种神经系统结构的解剖重建动画。果蝇用腿进行跳跃、行走、梳理、打斗和求偶等多种活动。它们还能调整步态，在室内植物、墙壁、潮湿表面、天花板甚至昆虫级跑步机等地形中穿行。从使苍蝇能够保持稳定位置的姿势反射，到穿越障碍物或改变飞行方向，所有这些动作都源自运动神经元的电信号。这些信号通过运动神经元的线状突起来刺激肌肉。研究人员指出，果蝇的六条腿仅由 60 到 70 个运动神经元管理。他们指出，在猫体内，约有 600 个运动神经元为一块小腿肌肉提供动力。只有 29 个运动神经元控制着果蝇翅膀的动力肌和转向肌。相比之下，蜂鸟的胸肌由 2000 个运动神经元提供。虽然苍蝇的运动神经元很少，但它在空中和陆地上的表现却非常出色。雌果蝇腹侧神经索的解剖重建图。图片来源：Tyler Sloan/Quorometrix Studio科学家们解释说，运动单元由单个运动神经元和它所能激发的肌肉纤维组成。不同的运动单元以不同的组合和顺序被激活，协同实现无数的运动行为。参与这两项研究的科学家对前运动电路的布线逻辑很感兴趣。他们希望了解苍蝇的神经系统是如何协调运动单元来完成各种任务的。其中一项研究采用了自动化工具、机器学习、细胞类型注释和电子显微镜技术，在一只雌果蝇的腹侧神经索中识别出了14600个神经元细胞体和大约4500万个突触（信号传递连接点）。果蝇的腹侧神经索类似于脊椎动物的脊髓。科学家们随后应用深度学习，自动重建了整个雌果蝇的神经元解剖结构及其连接。研究人员使用复杂的方法绘制了腿部和翅膀运动神经元所针对的肌肉图谱。他们确定了雌性成体神经线连接组中哪些运动神经元与前腿和翅膀的各个肌肉相连。在此基础上，他们绘制了一张图谱，显示了在起飞和飞行运动启动过程中协调苍蝇腿部和翅膀运动的回路。为了腾空而起，苍蝇的中腿伸直以便跳跃，前腿弯曲以便起飞。这大致就像滑行中的客机在离开地面后缩回轮子，或者涉水的苍鹭在冲向天空时收起细长的腿，使其不碍事。科学家们还发现，成年苍蝇的一些肌肉纤维由多个运动神经元支配。这种情况也出现在果蝇和蝗虫的幼虫阶段。虽然一些哺乳动物在刚出生时有多个神经纤维支配，但这些神经纤维通常在成年后就会消失。多重神经支配可能会提供更大的灵活性，并解释为什么昆虫的运动神经元如此之少，四肢却能精确运作。科学家们还研究了苍蝇的翅膀运动系统，该系统按功能大致分为三个部分：为翅膀拍打提供动力、引导昆虫和调整翅膀运动。通过对前运动神经元连接性的研究，研究人员对两种肢体的前运动回路组织进行了比较。果蝇的腿和翅膀各有不同的进化和生物力学。连接组使科学家们能够就神经回路的功能提出新的理论，并揭穿一些错误的观念。科学家们提到，最近开发果蝇神经连接组的群体努力，首次为任何有肢动物绘制了突触级布线图。他们希望更多的连接组将使研究人员能够比较不同个体的神经布线。预计重建的雄性果蝇中枢神经索可能会揭示性别之间的差异。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

机器人的"指尖"灵敏度可与人类媲美 以两倍速度精确读取盲文

机器人的"指尖"灵敏度可与人类媲美 以两倍速度精确读取盲文 人类的指尖异常灵敏。它们可以传达小至头发丝一半宽度的物体的细节，辨别表面纹理的细微差别，并能运用适当的力量抓住鸡蛋或一袋 20 磅（9 千克）重的狗粮而不打滑。随着尖端电子皮肤开始融入越来越多的仿生物功能，像滑动这样类似人类的动态交互变得越来越重要。然而，尽管软机器人技术不断进步，但要在机器人中再现人类指尖的灵敏度却很困难。英国剑桥大学的研究人员采用一种方法，将基于视觉的触觉传感器与人工智能相结合，以高分辨率和高速度检测特征，从而使其离现实更近了一步。"人类指尖的柔软度是我们能够以适当的压力抓握东西的原因之一，"该研究的第一作者帕斯-波特达尔（Parth Potdar）说。"对于机器人技术来说，柔软是一种有用的特性，但你也需要大量的传感器信息，而同时拥有这两种信息是很棘手的，尤其是在处理柔性或可变形表面时"。研究人员为自己设定了一项具有挑战性的任务：开发一种机器人"指尖"传感器，它可以像人的手指一样沿着指尖滑动，从而读取盲文。这是一项理想的测试。传感器需要高度灵敏，因为每个代表字母的点都非常紧密地排列在一起。研究报告的合著者大卫-哈德曼（David Hardman）说："目前已有机器人盲文阅读器，但它们一次只能阅读一个字母，这与人类的阅读方式不同。现有的机器人盲文阅读器的工作方式是静态的：它们触摸一个字母图案，读取它，从表面拉起，移过去，再降低到下一个字母图案上，以此类推。我们想要的是更逼真、更高效的东西"。因此，研究人员创造了一种在"指尖"装有摄像头的机器人传感器。考虑到传感器的滑动动作会导致运动模糊，研究人员使用了一种机器学习算法，这种算法是在一组经过合成模糊处理的真实静态图像上训练出来的，目的是"消除"图像的模糊。消除运动模糊后，计算机视觉模型就能检测出每个字母并对其进行分类。Potdar 说："这对机器人专家来说是个难题，因为要消除运动模糊，需要进行大量的图像处理，耗时耗力。"采用训练有素的机器学习算法意味着机器人传感器能以每分钟315字的速度阅读盲文，准确率达到87.5%，是人类阅读器速度的两倍，准确率也差不多。研究人员说，这比以前的研究快得多，而且这种方法可以通过更多的数据和更复杂的模型架构进行扩展，从而在更高的速度下实现更好的性能。哈德曼说："考虑到我们使用假模糊来训练算法，它在阅读盲文方面的准确性令人惊讶。我们在速度和准确性之间找到了一个很好的平衡点，人类读者也是如此。"研究人员说，虽然这种传感器不是为辅助技术而设计的，但它能快速准确地读取盲文，这对开发灵敏度可与人类指尖媲美的机器手或假肢是个好兆头。他们希望将其技术放大到人形手或皮肤的大小。Potdar说："盲文阅读速度是测量触觉传感系统动态性能的一个很好的方法，因此我们的研究结果可以应用于盲文以外的领域，如检测表面纹理或机器人操纵中的滑动。"下面这段视频由剑桥大学制作，介绍了研究人员如何开发盲文阅读传感器。 ... PC版： 手机版：

从蝙蝠到鼯鼠 新研究揭示哺乳动物如何进化出滑翔能力

从蝙蝠到鼯鼠 新研究揭示哺乳动物如何进化出滑翔能力 一项研究通过确定 Emx2 基因附近 DNA 增强子的关键变化，揭示了哺乳动物（尤其是有袋动物）滑翔能力背后的遗传基础，表明不同物种发展飞行能力的共同进化策略。资料来源：乔-麦克唐纳这是如何形成的？在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，由普林斯顿大学和贝勒医学院领导的研究小组解释了"皮膜"的基因组和发育基础。"皮膜"是一层薄薄的皮膜，它使一些哺乳动物能够在空中翱翔。"从分子和遗传学的角度来看，我们还不太了解新的性状和适应性是如何产生的。"普林斯顿大学分子生物学助理教授 Ricardo Mallarino 博士说："我们想研究进化的新特性是如何产生的。"为了更好地了解有袋类动物的进化，研究小组重点研究了有袋类动物。这是因为滑翔能力是通过类似的解剖学变化在近亲有袋类动物身上反复发展出来的，比如蜜袋鼯一种小到可以装进口袋的有袋类动物，作为一种宠物很受人们的欢迎。贝勒研究小组领导了15种有袋类动物的基因组测序工作，确定了滑翔类动物和非滑翔类动物的DNA序列。比较这些序列发现，一个名为 Emx2 的基因附近的进化速度加快。"有趣的是，基因序列本身似乎并不是发生最相关变化的地方。相反，关键的变化发生在基因组附近被称为'增强子'的DNA短序列上。"共同通讯作者、贝勒大学分子和人类遗传学教授兼基因组结构中心主任埃雷兹-利伯曼-艾登博士说："正是这些不断变化的增强子改变了Emx2在体内活跃的方式和位置，并推动了滑行的进化。"马拉里诺实验室的共同第一作者、研究生豪尔赫-莫雷诺（Jorge Moreno）说："了解基因组水平上产生这些趋同性状的潜在变化非常重要，因为它能告诉我们进化是否选择了阻力最小的路径。可以有相同的结果，但却有不同的路径。"接下来，研究人员想要验证这些想法。为此，他们利用了有袋类动物最独特的特征之一它们的小袋。贝勒大学分子和人类遗传学助理教授、莱斯大学理论生物物理中心研究员奥尔加-杜德琴科（Olga Dudchenko）博士说："有袋类动物出生时的发育阶段比典型的哺乳动物要早得多。它们不是在母亲的子宫里继续发育，而是爬进母亲的育儿袋，一直待到它们准备好独立面对这个世界。事实上，它们就在袋中，这使得研究单个基因（如 Emx2）如何影响有袋动物的发育变得更加容易。"研究人员发现，Emx2利用一种可能存在于所有哺乳动物体内的遗传程序产生了有袋动物的皮囊。例如，Emx2在小鼠和蜜袋鼯两侧的皮肤中都很活跃，但在蜜袋鼯中，它的表达时间要长得多。贝勒大学基因组结构中心的杜德琴科指出："通过修改那些关键的Emx2增强子，一个又一个物种开发出了这种通用程序，从而发展出了滑行能力。"对于希望冲上云霄的猪来说，这是一个令人鼓舞的消息，有朝一日它们可能不需要风口了。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：