人类用眼睛看世界,而鱼却可以用皮肤“看世界”?
说起看东西,我们的第一反应就是用眼睛看。

但最近,科学家发现有一种鱼,不仅能够用眼睛看东西,而且还能用皮肤“观察”周围的环境,甚至在死后,皮肤里的感受器还在发挥作用。

用皮肤“看世界”的猪鱼

这种鱼叫做长棘毛唇隆头鱼(Lachnolaimus maximus)。

它长着一个有些像猪鼻子的长鼻子,用这个鼻子来搜寻藏在沙子中的甲壳动物,这个搜寻动作也特别像猪用鼻子拱来拱去,所以它们又被称作猪鱼(Hogfish)。

猪鱼。图片来源:wikipedia.com

猪鱼最特别的地方还不是它的鼻子,而是它们的变色能力。

猪鱼能够快速调整皮肤的颜色,使自己融入周围珊瑚礁的环境之中,或者变成鲜艳的颜色以赶走竞争者,或吸引异性。

人们熟悉的变色龙往往需要几分钟才能完成变色,而猪鱼变色的速度很快,甚至能在不到一秒钟的时间里改变皮肤的颜色,跟章鱼、乌贼之类的动物有得一拼。

能瞬间变色的章鱼。图片来源:wikipedia.com

更有意思的是,这些鱼甚至在死后依然能变色。

发现这一现象的是生物学家洛里·施韦克特。几年前,她在钓鱼时钓起了一条猪鱼,猪鱼离开水之后很快就死掉了,施韦克特把死去的猪鱼扔在了甲板上,过了一会等她打算把猪鱼放进冰箱时,她发现猪鱼的皮肤竟然变成了跟甲板一样的颜色。

这一发现让她非常惊讶。之前科学家们认为,猪鱼是通过眼睛观察周围的环境,然后再通过大脑向皮肤发出指令来改变颜色的。但猪鱼死后,眼睛和大脑的视觉系统都停止运转了,它们怎么还能变色?难道猪鱼变色可以不依赖于大脑和眼睛?

施韦克特正在捕捞长棘毛唇隆头。图片来源:《自然·通讯》

虽然人们已经知道,像章鱼、乌贼这样的软体动物,确实能够通过皮肤上的光感受器来探测周围的环境。但人们还没有在鱼类身上看到这一点。于是,施韦克特和同事开始了对猪鱼变色相关的研究。

在2018年,施韦克特和同事就发表了一篇文章,科学家们指出在猪鱼的皮肤里存在一种能够感光的蛋白——视蛋白SWS1。这种视蛋白在多种动物的视锥细胞中都存在(包括人类)。

在5年后,也就是2023年8月,施韦克特和同事们又在《自然·通讯》上发表了一篇论文,解释了猪鱼皮肤中的感光蛋白是如何帮助它们调整皮肤颜色的。

为了了解这一点,我们要先从猪鱼的变色原理说起。

生物变色的原理

猪鱼变色的原理和变色龙、章鱼、乌贼的变色原理很相似,是通过调节体内的色素细胞来实现的。

变色龙。图片来源:wikipedia.com

在最新的研究中,施韦克特和同事们在猪鱼的皮肤里检测到了红、黄、黑色素细胞,通过调节这些色素细胞的相对大小,就可以让皮肤呈现出不同类型的颜色,类似于我们用颜料调色一样。

另外,施韦克特和同事们还从光学显微镜下看到了彩虹色素细胞和白色素细胞。这两种色素细胞和红、黄、黑色的色素细胞不太一样。

彩虹色素细胞并不是真的存在许多种颜色,而是通过调节鸟嘌呤晶体的结构,让皮肤呈现绚丽的颜色。

同样的,白色素细胞也并不是真的存在白色色素,也是通过调节鸟嘌呤晶体的结构反射光线。

这些分布在皮肤中的色素细胞,是包括猪鱼在内的生物变色的基础。

猪鱼皮肤以及皮肤中的色素细胞。图片来源:参考文献[2]

而视蛋白SWS1在这个过程中,起到了从皮肤内向外“看”的作用。它通过“看”到的细微差别,对色素细胞进行微调。

在猪鱼的皮肤中,SWS1视蛋白存在于色素细胞下方,因此,不同色素细胞的大小,会影响抵达视蛋白的光线。

通过接收到的光线差异,SWS1就可以微调色素细胞,让皮肤呈现更接近周围环境的颜色。

结语

之前人们已经知道动物皮肤中蕴含的视蛋白,但却一直没有研究这些视蛋白是如何帮助动物实现变色功能的。

事实上,生物皮肤中视蛋白“看东西”的机制和“眼睛-大脑”这套视觉机制并不相同,它能更简单快速地判断皮肤和环境颜色的差异。

通过对生物变色原理的了解,人们在不久的将来可能有望制造出基于这种原理的视觉传感器,让包括自动驾驶汽车在内的人工智能更简单、快速地“看见”世界。

参考文献

[1]Schweikert, L.E., Fitak, R.R. & Johnsen, S. De novo transcriptomics reveal distinct phototransduction signaling components in the retina and skin of a color-changing vertebrate, the hogfish (Lachnolaimus maximus). J Comp Physiol A 204, 475–485 (2018).

[2]Schweikert, L.E., Bagge, L.E., Naughton, L.F. et al. Dynamic light filtering over dermal opsin as a sensory feedback system in fish color change. Nat Commun 14, 4642 (2023).

(来源:科普中国)

#不懂就问有问必答
我是一只小小鸟│跟着DK探寻多彩的鸟类王国


说起鸟类,那我可太有话啦,小时候姥爷养过一只会说话但最多只能说四个字的鹦鹉螺螺,姥爷想让螺螺走上逆天改命的道途,每天都很勤奋地教它五言唐诗“白日依山尽”“白日依山……”“黄河入海流”“黄河入海……”螺螺把姥爷的声音模仿得很像,我们不在它也搁那自嗨,所以只要从我家楼下经过的人,都可以听到一个浑厚的男中音在念唐诗“白日依山……”“黄河入海……”


受姥爷影响,我也喜欢养鹦鹉,当看到dk这套多姿多彩的鸟类百科,如获至宝!

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:(英)大卫.林多
浙江教育出版社@阳光博客 @阳光博客静静


你知道吗?鸟类是活下来的恐龙!虽然它们有多种形态、大小和颜色,都有羽毛和翅膀,但不是所有鸟类都会飞。我家那只黄桃小仔仔就比较悲催,它是会飞,但我会定期剪它翅膀,不给它飞


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翻到书尾看到各种鸟类的术语表和中英文词汇对照表,这对在校生来说尤为重要,不愧DK!


不行,得给我的小鹦鹉喂食去了,自从姥姥来我这,每天下午姥姥给它加餐五颗瓜子儿,好家伙!我都没有下午茶,它有!

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人热了可以吹空调,5G基站“热”了怎么办?

夏天滚烫的热浪毫不留情地“普渡”众生,让人们只想一天24小时抱着空调度日,对冷气难以企及的室外望而生畏。不过你吹着空调刷手机时,有没有想过一个问题:平时手机连续大功率运作几个小时就会发热烫手,可那些户外基站要为我们24小时提供网络信号,暴露在太阳的“毒打”下,它们会热成什么样?它们难道也像人和手机,可以舒舒服服地窝在空调房里?又或者,它们会不会像人一样,一“怒”之下热到想要“罢工”呢?

说到这,咱们就用简单的初高中物理知识,来好好了解一下5G基站的散热难题,以及当前可行的基站降温技术。能量守恒定律告诉我们,所有的能量都不会凭空产生或消失。电能和热能可以互相转化,比如初中所学的焦耳定律:Q=I²Rt,就是描述了电流通过电阻时产生的热效应,我们懒人必备的电饭锅、电烤箱和烘干机也利用了这一原理。

随着信息时代的来临,人类对大数据和云计算的需求越来越强,对网速的要求也越来越高,于是移动通信技术、材料技术等一代代升级,智能设备的性能不断提升。但正如强调过的能量守恒,高性能不会凭空而来,它需要大量的能量维持,我们目前生活最常用的就是电能;而一旦电流过大,设备温度就会升高,会缩短设备使用寿命,严重时甚至会直接烧坏设备。小伙伴想必都有所体会:手机放着不玩可以待机好几天,可一旦开始玩游戏、看电影,不仅电量降得快,而且手机也会发烫,轻则视频卡顿,重则手机宕机。

这时你可能会说,简单,我们给它物理降温不就行了吗?既然解决手机、电脑发热可以外接风扇或者用冰袋冰一冰,在5G基站里安装大功率空调也不是难事吧?空调降温确实是常用的一项办法,不过这仅仅是治标不治本,并且还多出了一项电力支出,让基站耗电问题越发严重。有数据表明,5G单基站功耗是4G单基站的2.5-4倍,甚至在几年前,还曾有媒体报道了这样一则新闻:因为耗电量太大,高昂电费难以承受,某地曾在夜间部分时段休眠关闭部分5G基站。

比普通的空调降温更高级一些的,是给基站用“液冷”。这是一种在航空航天领域常用的技术,主要是利用装有冷却液的散热管去直接冷却电子设备。与“吹冷风”的空调相比,首先输送液体比输送风更加容易,并且我们知道液体可以存储和运输热量,这些吸收了电热的液体温度升高后,可以用于供暖也可以将热量散给室外;而当失去热量、温度降低后,它们还可以重复使用,十分节能环保。此外,液冷也比风冷更靠近热源,能做到精准冷却。

以上“风冷”和“液冷”都是出于“降低表面温度”的考虑,但我们也可以从“加快散热”这一角度出发,使用更能向外界传递热量的器件。目前,5G基站主流使用的散热器件都是“半固态压铸件+吹胀板”,它们不仅导热率高、散热速度快,还具备重量轻、外形美观等优势,能帮助5G基站减轻自身重量,可谓“强强联合”。

接下来看看AAU的散热方案都有哪些?AAU传统散热方案:1、降低芯片与外壳的温差,采用高导热界面材料和热管;2、降低外壳表面温度,增加设备的外壳体积,加大表面积;3、改善外壳温度均匀性,采用铸铝加厚外壳。

在实际产品中,方案 1 的改善效果有限,当外壳被太阳光暴晒时,其表面温度可高达60℃至90℃。而很多芯片的Tc要求在90℃以内,此时将无法满足散热要求;对于方案 2 和方案 3 ,通常产品的外观尺寸和产品重量有一定的限制,不能随意的增大。因此5G散热将是一个很大的挑战,需要更有效的散热设计。

AAU基站新的散热方案

基站内部发热模块产生的热量,会使密闭腔体内的温度升高,当温度一致后,再传至外壳,通过空气对流散热。AAU散热可以从新材料,新结构设计及新的散热方案入手。

(1)新的散热方案,液冷散热:散热片连接的导热管下方有特殊的散热液体,其沸点比较低,吸收热量后会蒸发为气体到顶部,散发热量后重新液化,回流至原来的地方,从而提高散热效率。

(2)新材料:AAU除了内部使用TIM、散热材料及方案外,半固态压铸件具有重量轻和散热性能好的优势,吹胀板具有热传导效率高、制冷速度快的优势,结合半固态压铸件和吹胀板的散热器件有望大幅提升5G基站散热价值量。

(3)新的结构设计:另外厂商在AAU散热片结构上通过结构创新设计优化整机体积重量,引入新工艺,在整机结构上实现了轻量化。例如传统设计的散热齿,下部热量上部扩散,造成散热齿结构上部温度高,降低散热效率,成为散热瓶颈。中兴通讯独特的V齿结构设计,改进散热气流,使冷空气正面进两侧出,避免热级联,散热提升20%,成为业界首创。

最后,前段时间一度成为各大平台头条的超导材料LK99如果能得到证实,那么就可以一劳永逸解决5G基站乃至所有电子设备的散热问题。从理论来说,电流通过超导体材料时,不会损失任何电能且不会产生任何热量,因此它是人们理想中的集高效利用与节能环保于一身的完美材料。然而受限于技术难题,虽然有许多构想和设计成果发表于权威学术杂志,但距离“超导二极管”的大规模应用,我们还有很长一段路要走。所以,每当你透过窗户望向阳光灼热的室外,请不要忘记感谢兢兢业业户外“站岗”的5G基站——正是它们日复一日忍耐着高温,才有了我们在空调房中如水般丝滑的网上冲浪。


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