一种管栖生物的管内综合摩擦特性测试方法

1.本发明涉及摩擦性能测试领域，特别涉及一种管栖生物的管内综合摩擦特性测试方法。


背景技术：

2.水生管栖动物是一种滤食性生物，依靠位于头部的花冠状触手捕捉周围环境中的浮游颗粒完成进食。完整的水生管栖动物由生物本体和矿物质管两部分组成，坚硬的矿物质管为较为柔软的生物本体提供保护。当通过触手上的光感受器察觉到来自外界环境的危险时，水生管栖动物会快速回撤入管，这个过程在一瞬间内完成，并且为了避免动物本体和管壁的直接摩擦对动物本体的伤害，水生管栖动物的体表会分泌黏液为应激入管提供润滑，黏液随着水生管栖动物在管内的蠕动覆盖生物体全身；当外界危险解除时，水生管栖动物会从管内爬出，打开花冠状的触手进行滤食，在这种完全水下的液体环境中，其出管过程是在被黏液润滑的管壁上进行的。即使出管的外界环境较为恶劣，水生管栖动物依旧可以做到连续、稳定地出管而不至于打滑。
3.目前，通过实验发现水生管栖动物身体两侧的疣足刚毛对能否顺利出管起到关键性作用，而且刚毛在管壁上发生相对运动的行为是一种摩擦学行为，但是还没有实验测试的方法可以表示水生管栖动物出管过程中的摩擦学特性，而且在实际操作中，刚毛和黏液的提取过程中仍旧存在技术难点，如果我们强行拔去活体水生管栖动物的刚毛，会对生物体造成不可逆的损伤甚至导致生物的死亡。而且，由于刚毛的尺寸较小质地较软，强行拔去过程中由于生物体的抗争会使刚毛发生塑性变形，容易给摩擦学特性测试实验带来误差。其次在黏液提取过程中，由于黏液和海水混杂在一起，对生物体分泌的黏液纯度造成影响，这会给黏液的粘度测试结果产生巨大误差。因此，如果能不伤害生物体就可以将水生管栖动物出管过程中的摩擦学特性定量表示出来，有望为水生管栖动物的管内运动机理提供现实依据，并为水下吸附设备的设计提供理论基础。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的不足，本发明将管栖生物脱管处理并剪取一块管壁作为实验基底，再刺激脱管后的生物体使其分泌黏液，然后通过麻醉生物体来剪取其刚毛，最后用刚毛在铺满黏液的管壁上滑动从而测得摩擦力，以解决现有技术中还未有测试水生管栖动物出管过程中摩擦力的方法，同时可以防止刚毛变形以及避免测试结果产生巨大误差。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种管栖生物的管内综合摩擦特性测试方法，所述测试方法步骤如下：
7.步骤1：将管栖生物的矿物质管沿着管壁剪开，把管栖生物的生物体脱管后置入人工海水中，再从矿物质管剪取一块管壁作为摩擦学实验的实验基底；
8.步骤2：通过表面黏液刮取法刺激步骤1的生物体分泌黏液，并收集所得黏液；
9.步骤3：采用等渗透压氯化镁溶液麻醉法对步骤2中收集黏液后的生物体进行麻
醉，然后剪取生物体的刚毛；
10.步骤4：，在步骤1剪取的管壁上铺满步骤2收集的黏液，然后让步骤3剪取的刚毛在管壁上滑动，最后测试出刚毛在管壁上滑动过程中所产生的摩擦力。
11.优选地，所述步骤2具体包括：从步骤1海水中取出生物体，擦去生物体表面水分后在生物体的腹部来回滑动刺激生物体分泌黏液，然后刮取生物体分泌的黏液并收集。这样擦干后再刮取黏液避免了分泌出的粘液掺杂海水，可以最大限度获得管栖生物的原生黏液，保证了黏液的纯度。
12.优选地，所述步骤3具体包括：配置与海水等渗透压的氯化镁溶液，然后将步骤2提取黏液后的生物体置于氯化镁溶液中麻醉，观察到生物体的疣足停止摆动后再剪取生物体近端的刚毛。将生物体麻醉不仅可以减轻实验中生物体的痛感，还能将刚毛更完整的剪取下来，另外，刚毛剪取之后可以迅速恢复，对生物体零伤害，剪取的刚毛形状完整且不会发生塑性形变，可以用来进行后续对刚毛的外部整体结构和内部结构的研究。
13.优选地，将所述步骤3剪取刚毛后的生物体放入与其体径相当的空心玻璃管里，然后置于人工海水中一起进行养殖，以形成新管对生物体进行保护。
14.进一步优选地，所述空心玻璃管长度为管栖生物的生物体体长的1.2-1.5倍。
15.优选地，所述步骤4具体包括：将原子力显微镜的悬臂梁探针用粘胶沾上步骤3剪取的生物刚毛，然后在步骤1剪取的管壁上铺满步骤2收集的黏液营造管栖生物出管过程中的液体环境，再让悬臂梁探针带着刚毛在管壁上面滑动测得摩擦力。
16.进一步优选地，所述粘胶为环氧树脂胶。
17.优选地，所述人工海水的比重为1.025，水温为25℃。
18.优选地，测试环境温度为20℃到25℃，相对湿度大于70％，这是为了避免影响管栖动物的活性。
19.本发明的有益效果如下：
20.本发明先将管栖动物脱管处理并剪取其原生管壁作为摩擦学实验基底，然后通过等渗透压氯化镁溶液麻醉法对水生管栖动物麻醉后剪取生物体两侧的疣足刚毛，在生物体表面用干燥毛巾擦干之后短暂置于空气中并施加一定外界刺激促使其表面分泌出黏液，再用刀片刮取黏液以确保提取出来的黏液没有混入海水，最后用原子力显微镜测得剪取的刚毛在生物体的原生管壁上滑动过程中的摩擦力。
21.本发明采用的渗透压氯化镁麻醉法可以减轻实验过程中生物体的痛感，对生物体零伤害，生物在刚毛剪取之后可以迅速恢复，而且剪取的刚毛形状完整且不会发生塑性形变，可以进行后续对刚毛的外部整体结构和内部结构的研究；而用刀片表面刮取黏液可以最大限度获得管栖生物的原生黏液，保证了黏液的纯度。最后剪取的水生管栖动物刚毛和提取的黏液所进行的摩擦学特性测试和理论值之间存在很小的误差(误差范围在4％以内)，在不伤害生物体的情况下就可以将水生管栖动物出管过程中的摩擦学特性定量表示出来，这对于管栖生物出管运动过程中的运动机理研究具有重要的指导作用，还为水下吸附设备的设计提供了新思路，而且本发明的测试方法操作简单，材料易取，对实验环境的要求不高。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是实施例1中测试管栖生物管内综合摩擦力的流程图；
24.图2是实施例1中测试管栖生物管内综合摩擦力的实验操作图。
具体实施方式
25.下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规说法。
26.实施例1：一种管栖生物的管内综合摩擦特性测试方法
27.飞羽管虫是一种典型的管栖生物，栖息在由自身黏液固化形成的矿物质管内，是滤食性定居的蠕虫，头冠上长有形状酷似羽毛的触手。正常情况下，管虫会将触手伸出管外进行滤食和呼吸，当遭遇危险时会迅速回撤入管规避危险。在危险解除之后，管虫会在布满黏液的管壁上运动出管，将羽毛状的触手打开重新滤食。
28.按照图1和图2的流程和实验操作，测试方法具体步骤如下：
29.1、脱管处理：实验室温度应为20℃到25℃，相对湿度大于70％，否则会影响虫体活性，选择健康活性强的飞羽管虫，将飞羽管虫的矿物质管沿着管的中心轴向上剪开，形成开口，操作过程中用手指按压来确定飞羽管虫的生物体位置以免剪到生物体，再用镊子轻轻夹取生物体使其脱离矿物质管并用人造海水(比重1.025，水温25℃)清洗生物体表面，然后将清洗后的生物体置入盛有人造海水(比重1.025，水温25℃)的培养皿中，最后保留矿物质管，用剪刀从矿物质管上剪取一块2mm
×
2mm的管壁作为摩擦学实验的实验基底。
30.2、提取黏液：将步骤1的生物体从装有人造海水的培养皿中取出，用干毛巾擦去表面水分后放置在干培养皿上(干培养皿倾斜摆放，便于生物黏液集中)静置1分钟左右，然后用玻璃棒轻轻地在生物体腹部上来回滑动刺激生物体分泌更多的黏液，用刀片在培养皿内慢慢刮取生物体表面的黏液，最后用移液管将黏液转移到30ml试管内，再将生物体重新放回装有人造海水的培养皿内静置5分钟，等到生物恢复活性后重复操作“刺激生物体-刮取黏液”的步骤，直到30ml试管装满黏液。
31.3、剪取刚毛：配置与海水(比重1.025，水温25℃)等渗透压的氯化镁溶液装入培养皿中，然后将步骤2刮取完黏液的生物体移入装有氯化镁溶液的培养皿中静置5分钟左右，再使用显微镜观察生物体疣足是否会继续摆动，如若停止摆动则说明生物体已经完成麻醉，反之则继续静置于氯化镁溶液中直到生物体疣足停止摆动，最后用手术剪刀在生物体的头冠近端剪取刚毛，将剪下来的刚毛擦干后装于离心管内进行保存。
32.4、人工换管：测量步骤3的飞羽管虫生物体体径，选取直径与生物体径相当且管长为生物体体长1.2-1.5倍的空心玻璃管，用镊子将羽管虫生物体的尾部放入玻璃管，然后将玻璃管垂直浸入人造海水(比重1.025，温度25℃)中，玻璃管管口略高于水面以保证玻璃管内的管虫尾部接触到水，其余身体部分不与水接触，这时管虫会自主的向水下运动，直到完
全进入新管后置于生态缸中重新养殖，培养3天以上可以看见生物体会有新管长出。这是由于步骤1对生物体的原生管造成了破坏，所以为了将生物体重新置入海缸中时不伤害柔软的生物体，需要人为地移植一个新管对生物体进行保护。
33.5、测试刚毛在管壁上滑动过程中的摩擦力
34.(1)分别取两块干净的载玻片一和载玻片二，载玻片一上面涂抹环氧树脂胶，载玻片二上面放置步骤3剪取的飞羽管虫刚毛，在载玻片一的环氧树脂胶未变硬之前操作原子力显微镜(bruker，dimension fastscan bio)使得悬臂梁探针沾上环氧树脂胶，然后迅速按压载玻片二上的生物刚毛，使得生物刚毛黏附在悬臂梁探针上，再静置一小时待环氧树脂胶完全变干；
35.(2)取步骤1裁剪的管壁和步骤2提取到的黏液，在管壁上铺满黏液营造出管过程中的液体环境，然后操作原子力显微镜(bruker，dimension fastscan bio)，使得原子力显微镜(bruker，dimension fastscan bio)上的悬臂梁探针带动刚毛在管壁上面滑动，从而测得刚毛在管壁上滑动过程中的摩擦力大小。摩擦力的理论计算公式如下所示：
[0036][0037]
其中，μ为黏液粘度、h为黏液在管壁上形成的液膜厚度、s为刚毛与管壁接触一侧的面积、v为刚毛在水平方向上的滑动速度。
[0038]
测得μ为2.5cps、h为0.132mm、s为2
×
10-3
mm2、v为0.1mm/s，代入理论计算公式的摩擦力理论值大小为0.438μn，而通过原子力显微镜(bruker，dimension fastscan bio)测得刚毛在管壁上滑动过程的摩擦力为0.42μn，误差范围在4％以内，属于实验误差的可接受范围。
[0039]
6、测试飞羽管虫黏液的黏度
[0040]
采用旋转流变仪(mcr52，anton paar)来测试步骤2提取到的飞羽管虫黏液的黏度，测得的黏液黏度为2.8
±
0.15cps，而在同一环境下直接刮取飞羽管虫黏液测得的黏度为2.5
±
0.2cps，因此，步骤2提取的黏液黏度更大，这说明黏液中的含水量越小，提取到的黏液纯度越高，而且将生物体从原生管取出后，用干毛巾擦去表面多余的海水将生物体短暂置于气相中，这时生物体在气相内分泌出来的粘液并不会含有海水，可视为纯黏液。
[0041]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。