极端流动模拟揭示深海海绵的骨骼适应性

自发现以来，深海玻璃海绵 Euplectella aspergillum 因其力学性质与美感而备受关注。其骨骼系统由非晶态水合二氧化硅构成，并排布为高度规则且分层的圆柱状晶格，从而赋予其优异的柔韧性与抗损伤能力。文献多以结构分析为主，但围绕并穿透海绵的流体动力学场在很大程度上仍未被探索。在此我们解决一个未解问题：除改善力学性质外，E. aspergillum 的骨骼构型是否也优化了其体腔内外流动的物理特性。我们基于“格子 Boltzmann”方法使用极端流动模拟，其网格点超过五百亿并跨越四个空间数量级。这些计算机实验再现了 E. aspergillum 所栖息的深海海底的水动力条件。我们的结果表明，骨骼构型降低了整体流体动力学应力，并在低流速下维持相干的内部再循环模式。这些模式可能有益于该生物进行选择性的滤食与有性繁殖。本研究揭示了在深渊中生存的 extraordinary 适应机制，为进一步在流体力学、生物生物学与功能生态学的交叉领域开展此类研究铺平了道路。