鱼类的侧线机械感受系统和仿生学等应用研究

鱼类和水生两栖类(或幼体),具有特殊的侧线机械感受系统,以感受和分析周围水流微小的时空动态变异,提供鱼体即时的位向和环境水动态信息,助其判断水流属性,完成摄食、避敌、生殖、集群、导航和通讯等复杂行为.侧线机械感受的外周感觉器官主要为两类"神经丘":感受流体加速度(或压力差)和平行于体轴的流向信息,一般是位于体表侧线管道中的"管道神经丘";感受流体速度和垂直于体轴的流向信息,位于鱼体表面的"表面神经丘".两者都由感觉毛细胞和包裹的胶质顶组成.当接触流体的振动波时,胶质顶带动其内部的纤毛束发生定向摆动和偏转,打开毛细胞膜的离子通道,改变细胞的内外电位差,将流体机械信息转换成神经电信号传入.两类神经丘的大小、形状和排列方位(互成90°)不同,并由各自的神经支配.神经丘数目繁多,以特定的模式遍布鱼表,全方位地收集各部位不同瞬间的水动力变化信息,并由专一的侧线传入神经分支至中枢神经各级侧线中心,系统地综合分析.侧线感受器结构的精致程度和侧线系统在鱼体分布空间模式的复杂性,是依鱼的种类(系统进化地位)、水流生境及特殊行为等多方面需求形成.该系统已吸引了科学家近百年的研究,在物种间表观形态和生态行为多样性等,尤其是功能形态和神经电生理学方面,颇有进展.近年来,运用数学、物理、计算科学和纳米技术等多学科交叉研究,正起步开拓其仿生学应用.为进一步推动对侧线生物学和水动力机械感受器模式及其智能仿生学交叉研究领域的发展,本文以鱼类侧线研究的新发现和认识为基础,结合近年来有关侧线系统的研究文献,对侧线机械感受器的结构机理、发育模式、神经功能特性以及仿生学研究的进展与展望等方面进行综述.