随着科技的发展,人类在动物面前,可以说就像高高在上的神明,在枪炮的面前,任何动物迅捷的速度、强大的咬合力都不值得一提,那么这个世界上有存在可以抵挡子弹的动物吗?还真的有?那就是鳞角腹足蜗牛。
蜗牛的硬壳在蜗牛眼里是保护自己的盾牌,但是在人类眼里,却脆弱得只需要轻轻一捏就碎掉。但是鳞角腹足蜗牛,即使你用瑞士军刀,也只能在他外壳上留下一道浅痕。
鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)是一种生活在印度洋深海海底2400-2800米深的热液喷口附近的软体动物。
我们要知道,海底沿着地壳裂口逐渐形成热液喷口,海水沿裂隙向下渗流,受岩浆热源的加热,再集中向上流动,并喷发,从而形成了深海热液喷口。人类第一次发现热液喷口是在1979年,阿尔文号在东太平洋洋中脊深度约2610-1650 m的海底熔岩上首次发现数十个冒着黑色和白色烟雾的烟囱,以及附近的铜、铁、锌硫化物堆积形成的丘体,并观察到约200-400℃的含矿热液从直径约15 cm的烟囱中以每秒几米的速度喷出。
热液喷口“黑烟囱”
目前已知的深海热液喷口有150多个,热液由水和一些化学物质组成,喷出温度为60-350℃,且多形成这样的“烟囱”。
深海环境一直被认为是生命的禁区,因为缺乏食物来源,但从从深海中的热泉,即热液喷口中涌出的被地幔柱加热的海水携带大量硫、铁等元素,而一些生活在热泉附近的化能细菌能够利用这些元素产生能量进行生长和繁殖,因此,在总体上寒冷、 食物匮乏、 生物量极低的深海环境中,深海热液口就像 “ 生命绿洲” ,它们周围形成了基于细菌与古菌所固定的化学能的生态系统。
从阿尔文潜水器观看轴向火山的热液喷口场
其中包括一些在其他地点没有分布的特殊生物,比如鳞角腹足蜗牛这种奇特的生物。(现在科学界普遍认为生命起源于海底黑烟囱的理论,早期生命的祖先可能就是嗜热微生物。)
科学家经过研究发现这种蜗牛目前只被发现生活在印度洋的三处深海热液喷口,生存面积相当于两座足球场,三个地球的都因为,在Kairei区(位于西南印度洋脊)生活的是黑色含铁量丰富,带有磁性的蜗牛;在Solitaire区(位于中印度洋脊),这里的蜗牛缺铁,呈白色,没有磁性。
采自三个产地的鳞角腹足蜗牛保存了软体的标本,颜色因产地的热泉中所含物质不同而有区别
这种蜗牛属于于Peltospiridae科的海洋腹足纲软体动物物种,它没有其他的亲戚,是鳞角腹足蜗牛属的单型种。本物种不单与其他深海腹足纲物种相异甚远,就连同属Neomphaloidea总科的物种亦与之相异甚远,这些都是因为生活在烟囱附近而造就了它的独一无二。
2001年,科学家在印度洋的Kairei热液口区首次发现了鳞角腹足蜗牛。即使是在热液口生物群落中,它们的存在,也是非常令人惊奇的发现!
鳞角腹足蜗牛相比Peltospiridae科的其他物种,鳞角腹足蜗牛的体型要大得多。大部分Peltospiridae科蜗牛的壳长在15毫米以下,而鳞角腹足蜗牛的螺壳宽度通常在9.8~40.02毫米之间,最大的可达45.5毫米,成体的平均宽度为32毫米。它的头部长有两根光滑的、逐渐变细的触角,不过, 它们却没有眼睛和特化的交接器,此外腹足呈红色的它们因体积较大无法完全缩回螺壳,而且 也不像其他蜗牛和蜻端一样具有 上足腺和上足触手,另外,比例上看, 鱗角腹足蜗牛的心脏体积比许多其他动物都大, 约占身体总体积的 4 %。
在 Pelospiridae科中,鳞角腹足蜗牛是目前已知唯一的''同时雌雄同体”物种,这意味着具有很高繁殖力的它们同时具有雄性和雌性生殖器官,所产的卵很可能是 依靠卵黄提供营养。科学家还不清楚鳞角腹足蜗牛幼体和胎壳的形态(目前釆集到最小的未成熟 个体已经具有2. 2毫米的壳长), 但推测可能存在一个浮游扩散的阶段。
3D重构的鳞角腹足蜗牛解剖模型 图源Alexandru Micu.论文
当然,最让人称奇的还是它的硬壳,从来没有一种腹足类动物像它们一样长出数以百计的鳞片,也从来没有任何一种动物可以和鳞角腹足蜗牛这样利用铁元素, 由于这种蜗牛的铁化合物具有磁性, 有人甚至开玩笑地把它们称为“海底的万磁王”,两只鳞角腹足蜗牛放在一起就会被吸住,这也是为什么他们最终进化成''同时雌雄同体”的原因吧!
鳞角腹足蜗牛的螺壳具有3个螺旋,整体呈压缩的球形。螺壳上具有肋纹和精细的生长线,它们的螺壳可以分为三层:最外面是一层“镀铁”的物质,可以说,鳞角腹足蜗牛的身体皆被铁化合物覆盖,厚度约30微米,由铁的硫化物组成,主要是二硫化亚铁(黄铁矿的主要成分)和四硫化三铁(Fe3S4),后者具有磁性,因此鳞角腹足蜗牛会被磁铁吸住,真铁甲生物!
而最内侧由钙化的碳酸盐矿物霰石组成,厚度约250微米;而中间是柔软的有机层——相当于其他腹足类的外壳膜,厚度约150微米。铁质可以提供力量,而有机层能吸收掠食者——比如一只挥舞螯肢的螃蟹——攻击时的力道。此外,有机层还具有散热的功能。
另外,在鳞片之间的连接处,我们找不到鳞角腹足蜗牛明显的贝壳硬蛋白生长线。无论是现生,还是已灭绝的腹足类物种,再没有第二种具有这样生长在皮肤上的鳞片;已知的现生动物中,也再没有其他物种能像它们这样利用铁的硫化物,无论是骨骼还是外骨骼。
因为鳞角腹足蜗牛主要生活在印度洋海底的热液口区,而热液口区具有丰富的硫磺铁、硫化亚铁等矿物质,而这它们之所以能够形成如此的硬壳其实要归功于鳞角腹足蜗牛体内的共生共生细菌。
黑色变种的蜗牛体内具有一些白色变种所没有的细菌。鳞角腹足蜗牛的体表和体内生活着一些有 益的细菌,能帮助它们生成铁的 硫化物。来自海底热液口硫化物 具有很高的毒性,但这些硫化物与矿物质结合形成固体时毒性就 会消失,因而在这些化合物毒性 减弱的过程中,细菌可能扮演着重要的角色。也就是说,鳞角腹足蜗牛不仅镀了一层铁盔甲,而且这层铁盔甲会在鳞角腹足蜗牛的外壳上不断累积,长年累月下来会导致它们外壳越来越厚实坚硬。而科学家推测,这层铁盔甲还是有毒的。
不过,因为样本的稀缺,有些科学家也认为鳞角腹足蜗牛能够形成这样的硬壳是自己的功劳
鳞角腹足蜗牛的硬壳堪比合金,甚至连子弹都打不穿,当然,我们也要指出,这里指的硬壳是指在Kairei区生活的是黑色含铁量丰富,带有磁性的蜗牛;在Solitaire区这里的蜗牛没有磁性,所以它们并没有一身“铁甲”来强化保护。
这种蜗牛完全可以防御小口径手枪的近距离抵射且毫发无伤,美军曾经拿步枪子弹实验,也并没有对它的外壳造成太大伤害。目前美军都在研究这些蜗牛,希望给士兵盔甲的设计一些启发。据说,美国军方便以鳞角腹足蜗牛的外壳为基,仿制出了类似的材料来制造步兵装甲车。
当然,这种蜗牛还具有非常重要的工程学价值,在《 Protection mechanisms of the iron-plated armor of a deep-sea hydrothermal vent gastropod》这篇论文中,作者指出:
模拟自然系统的合成生物激发材料和结构的设计是一个巨大的领域,具有改变许多工程和科学领域的巨大潜力,包括土木工程、生物工程、机械工程、材料科学和工程、化学工程和航空航天。用于防护应用的合成多层结构复合材料的设计空间很大。
鳞角腹足蜗牛这种多材料、三层设计和有利的弯曲几何使得结构加强、径向位移减小、穿透阻力和热冲击时的稳定性,即使在各组成材料之间存在较大的不匹配时也是如此。它将对人类、车辆和结构装甲性能的改善。此外,层的几何形状和不同层间材料选择的影响一直是关于用锐层和梯度层优化工程材料以提高热机械性能的重要研究课题。将腹足类软体动物壳中的材料分层、成分级配、微层和宏观几何设计相结合,也可以为优化工程设计中的多功能提供重要的借鉴,以提高其力学性能和防护性能。
可以说,这种蜗牛的壳具有重要的研究价值,不过,鳞角腹足蜗牛在人工环境下很难成活,即便如此,它们还是曾在大气压下的水族缸中存活了超过3个星期。
另外,这种目前只被发现生活在印度洋的三处深海热液喷口,生存面积相当于两座足球场,而这三处热液喷口中,有两处正面临着深海采矿活动。公海的大规模采矿需获得联合国下属国际海底管理局的许可,据悉,对该区域的大规模采矿有望于2020年开始
世界自然保护联盟(IUCN)也于近日宣布,鳞角腹足蜗牛(Chrysomallon squamiferum)进入濒危物种名单,这也是第一种由于深海采矿而濒危的动物。
而大规模采矿活动的进行也将可能导致这种蜗牛彻底灭绝,看来,再硬的铁壳也抵御不了人类对于环境的破坏。
资料来源:
1、论文《最神奇的深海蜗牛》汪忆
2、Yao, Haimin; Dao, Ming; Imholt, Timothy; Huang, Jamie; Wheeler, Kevin; Bonilla, Alejandro; Suresh, Subra; Ortiz, Christine (2010).《Protection mechanisms of the iron-plated armor of a deep-sea hydrothermal vent gastropod》
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