血吸虫不同寻常的泳姿赋予它们的强感染能力(视频) | Nature Physics 论文推荐

科研圈 浏览次数: 2016-11-30 17:53

来源 Physics World 翻译 安定 审校 寒雨 金庄维 T型尾蚴离开水生蜗牛游向水面以寻找人类寄主。(图片来自论文原文) 血吸虫病 是一种由裂体属('...

来源 Physics World

翻译 安定

审校 寒雨 金庄维

T型尾蚴离开水生蜗牛游向水面以寻找人类寄主。(图片来自论文原文)

血吸虫病 是一种由裂体属( Schistosoma)血吸虫引起的寄生虫疾病。当人们接触到受感染的水体时,从淡水蜗牛身上释放出的尾蚴会伺机穿透他们的皮肤,进入血管发育为成虫。雌性成虫随后产卵,虫卵随尿液或粪便排出后再次感染蜗牛,或者直接寄生于人体器官中,从而引发疾病。 世界卫生组织的数据显示, 2014年全球约有2.58亿人感染此病,其中非洲最严重,然而却只有20%的患者得到了治疗。和那些常被忽视的热带疾病一样,血吸虫病主要影响贫困地区的人们。 斯坦福大学的研究团队于10月31日在 Nature Physics 中发表的研究显示, 尾蚴利用独特的弹流耦合(elasto-hydrody namiccoupling)进行高效的游动(论文信息见文末)。这一游泳方式更利于尾蚴感染人类。研究团队希望他们的发现可以阻滞尾蚴的运动以减少感染。贫穷陷阱血吸虫病的常见症状包括腹痛腹泻,便血尿血。长期感染此病会影响人类的工作能力,从而造成巨大的经济损失,让家庭变得贫困。童年患疾会影响学习,同样也会造成贫血和发育受阻。据初步估计,每年约两万人死于血吸虫病。 当下,血吸虫病已有治疗方法,但由于无法阻断与污染水源的接触,再感染经常发生。论文通讯作者 Manu Prakash 表示,当幼虫离开寄宿的蜗牛之后,只有12个小时用来寻找人类寄主,否则它们就会饿死。因此,幼虫游泳的效率与机制对疾病感染周期至关重要。于是,研究团队采用2000帧/秒的高速照相机拍摄尾蚴的泳姿进行研究,并建立了相关的数学模型和机器虫模型。 尾蚴身长约500微米,由头部与尾部两部分组成,其尾部末端分开成叉状。这种叉状的尾巴十分独特,目前尚未在其他充分研究的水生微生物中发现。 通过实验,研究者发现了尾蚴的三种泳姿,而每种泳姿中尾部叉形部位的位置都不相同。其中最有效的泳姿是尾部向前的模式,这样幼虫可以克服重力向上游,更接近水面,感染人类的可能性也更高。此时尾部叉装部位垂直于尾巴的其他部分,整体成T型。

(i)尾部向前式/T型泳姿(tail-first);(ii)自由下沉式(free-sinking);(iii)身体向前式(body-first)

破坏时间对称

由于尾蚴的体积小,所以雷诺数小,这意味着尾蚴的运动主要受黏滞力的控制,而惯性力对其运动的影响不大。因此,尾蚴需要以破坏时间对称的方式改变身体形状才能运动。上述T型泳姿中出现的弹流耦合便打破了时间反演对称性。所以,尾蚴以T型泳姿进行的运动是不可逆的。简而言之,在这种模式下,尾蚴只能向上游,不能往下游。 在T型泳姿下,尾蚴的尾部左右拍打,使两端连接处(头-尾、尾-叉)的弹性持续增加,这样便形成了不寻常的弹性流体动力学效应:尾部像是弹性联轴器,提供推进(propulsion)的能量,而两端的连接处像扭簧(torsional springs)那样提供全部的推力(thrust)。弹流耦合使“扭簧”的弹力作用平衡了叉状部分受到的流体阻力。

T型泳姿示意图。a,扭簧模拟了尾部两端连接点的弹性作用,以黑色螺旋线表示;尾部起到了联轴器的作用,以橙色折线表示。b,各连接点的速度和角速度,以及造成的流体动力学扭矩。(图片来自论文原文)低耗能机制

这种十分简单却低能耗的机制仅仅是通过连接部分的弹性来进行控制的。数学模型和机器虫模型的模拟显示,尾蚴尾部两端连接处的刚度比使游泳最为高效。

研究团队希望通过该实验来解释尾蚴的游泳技巧,从而进一步找到方法来阻止血吸虫病的传播。他们还实地观察了尾蚴的泳姿,以及它们如何在开放水域找到宿主。

原文链接:http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/nov/14/schistosomiasis-parasite-moves-using-an-u

nusual-swimming-stoke

论文信息

【论文题目】Schistosoma mansoni cercariae swim efficiently by exploiting anelastohydrodynamic coupling

【作者】DeepakKrishnamurthy, GeorgiosKatsikis, ArjunBhargavaManuPrakash

【期刊】Nature Physics

【日期】31 October 2016

【DOI】:10.1038/nphys3924

【论文摘要】The motility of many parasites is criticalfor infecting their host, as exemplified in the transmission cycle ofthe parasite Schistosomamansoni. In its human infectious stage, submillimetre-scale forms of theparasite known as cercariae swim in freshwater and infect humans by penetratingthe skin. This infection causes schistosomiasis, a disease comparable tomalaria in global socio-economic impact. Given that cercariae do not feed andhence have a lifetime of around 12 hours, efficient motility is crucial forschistosomiasis transmission. Despite this, a first-principles understanding ofhow cercariae swim is lacking. Combining biological experiments, a noveltheoretical model and its robotic realization, we show that cercariae use theirforked tail to swim against gravity using a novel swimming gait, described hereas a ‘T-swimmer gait’. During this gait, cercariae beat their tail periodicallywhile maintaining an increased flexibility near their posterior and anteriorends. This flexibility allows an interaction between fluid drag and bendingresistance—an elastohydrodynamic coupling, to naturally break time-reversalsymmetry and enable locomotion at small length scales. Finally, we find thatcercariae maintain this flexibility at an optimal regime for efficientswimming. We anticipate that our work sets the ground for linking the swimmingof cercariae to disease transmission, and could potentially enable explorationsof novel strategies for schistosomiasis control and prevention.

【论文地址】

http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3924.html

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·Nature 一周论文导读 | 17 Nov 2016

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