弹涂鱼可能是理解眨眼进化的关键

眨眼对眼睛至关重要。这就是动物清洁眼睛、保护眼睛甚至交流的方式。但是眨眼是如何以及为什么起源的呢?佐治亚理工学院、塞顿希尔大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员研究了弹涂鱼，一种一天大部分时间都在陆地上度过的两栖鱼类，以更好地理解为什么眨眼是陆地生物的基本行为。

尽管弹涂鱼与四足动物(包括人类和其他四肢脊椎动物)有远亲关系，但研究人员认为，研究这种鱼可以解开这些动物开始在陆地上移动时眨眼是如何进化的。

包括几名本科生在内的研究小组在美国国家科学院院刊上发表了论文“弹涂鱼和四足动物眨眼的起源与陆地上的生命有关”。

“通过将弹涂鱼的解剖结构和行为与早期四足动物的化石记录进行比较，我们认为眨眼出现在这两个群体中是对陆地生活的一种适应，”宾夕法尼亚州立大学助理教授兼该论文的作者汤姆斯图尔特说.“这些结果帮助我们了解我们自己的生物学，并提出了一系列关于我们在生物物种中看到的各种眨眼行为的新问题。”

分解闪烁

弹涂鱼通过将眼睛向下吸进眼窝来眨眼。不过，这种行为的进化并不需要很多新部位的进化，例如新肌肉或特殊腺体。相反，弹涂鱼以一种新的方式使用他们现有的眼部肌肉。

“这是一个非常令人兴奋的结果，因为它表明可以使用一组相对基本的结构来实现新的复杂行为的演变，”敏捷系统实验室前博士后研究员、现任Seton助理教授的BrettAiello说。爬坡道。

接下来，研究小组着手确定弹涂鱼眨眼的原因。在一系列实验中，他们发现弹涂鱼眨眼有三个主要功能：润湿、清洁和保护眼睛。这些功能也是人类和其他陆生脊椎动物眨眼的原因。

“我们发现可以部署单个行为来完成三个复杂、不同的功能，”Aiello说。“这些结果不仅帮助人类了解我们自己的历史，还帮助我们重新评估脊椎动物进化史上重大转变所必需的适应性，比如从水到陆地。”

佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院助理教授、该论文的作者SaadBhamla表示，眨眼不仅是一个独特的研究问题，而且还是一种重要的理解机制。

“我们都会不假思索地眨眼，理解我们为什么眨眼就是摆在我们眼前的一个如此美丽的谜题，”Bhamla说。“通过我们对弹涂鱼的研究以及生物物理学和形态学分析，我们揭示了眨眼如何发挥多种功能以适应离开水的生活。”

吸引本科生

为了探索此类开放式问题，研究人员参与了垂直整合项目(VIP)计划，该计划允许本科生进行长期、大规模的研究项目，作为他们在佐治亚理工学院课程的一部分。

“VIP课程的结构使学生能够真正依靠自己的创造力，并朝着他们最感兴趣的方向推动项目，”Aiello说。“它帮助我们的学生获得解决未知问题的能力——很多人成为科学家，将研究推向其他人从未尝试过的地方。”

VIP结构本质上是多学科的。虽然Aiello是一名生物学家，但大多数学生都是工程师，并带来了各自的专业知识。ManognyaSripathi主修生物医学工程，辅修计算机科学，她为弹涂鱼问题提供了她独特的经验。

“我利用我的计算机科学技能收集原始数据，并使用MATLAB或Python等程序分析和绘制它们，”Sripathi说。“我还利用工程技术帮助建造实验设备，使我们能够应用工程方法以独特的方式研究生物学问题。”

超越弹涂鱼

研究不仅扩展了弹涂鱼的知识，还有助于每个学生的未来抱负。例如，肯德拉华盛顿的轨迹受到她在实验室度过的两个学期的影响。

“VIP让我更接近我的生物医学工程专业的编程和设备领域，并巩固了我选择辅修计算机科学的原因，”她说。“我通过后来的实习和研究继续追求这种融合，现在从事血液动力学监测工作。但从某种意义上说，我仍然通过编程帮助表征生理学。”

VIP还扩展了学生的知识和科学经验，使他们远远超越了实验室。HajimeMinoguchi是生物医学工程专业的毕业生，由于他在课堂上的经验，现在担任系统集成研究和开发工程师。

“在像这样的跨学科团队中工作让我学会了如何理解和交流学科之间的想法，这让我成为了一个更全面的工程师，”Minoguchi说。“我的工作需要对生物学、电路、软件、固件、机械相互作用和物理学有透彻的了解。这种贵宾体验对我在目前的工作中取得成功起到了重要作用。”

物理学院和生物科学学院副教授SimonSponberg指出，这项研究远大于其各部分的总和，并带来了对进化的更深入理解。

“眨眼反映了一个更大的问题，”Sponberg说。“主要的进化转变是如何发生的，从而使生物体基本上可以栖息在这个星球上的每一个环境中?我们学到的是，你不需要进化很多专门的肌肉组织或腺体;进化可以修补已经存在的结构，使它们能够以新的方式用于新的行为。”

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