[論文レビュー] Optimal morphometric factors responsible for enhanced gas exchange in fish gills

Prasoon Kumar, Prasanna S. Gandhi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2018

Solar-Powered Water Purification Methods参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、理論的および計算モデルを用いて、魚の鰓におけるガス交換効率を向上させる最適な形態計測的要因——二次鰓片長、表面積、間鰓距離、一次鰓片長——を同定した。結果から、これらの構造的比の進化的最適化が質量輸送を最大化することを示し、バイオインスパイアド微小流体ガス交換デバイスの設計原則が得られた。

ABSTRACT

Fish gills are one of the most primitive gas/solute exchange organs, having the highest ventilation volume, present in nature. Such performance is attributed to a functional unit of gill - secondary lamella - that can extract oxygen from an ambience even at a very low partial pressure. For centuries, gills have stood as one of the simplest but an elegant gas/solute exchange organs. Although the role of various morphometric factors of fish gills on gas/solute exchange capabilities have been reported, there has been limited understanding on what makes fish gills as an excellent gas/solute exchange system. Therefore, in the current study, we have theoretically studied the variation of few structural and parametric ratios, which were known to have role in gas/solute exchange, with respect to the weight of fishes. Thereafter, modelling and simulation of convection-diffusion transport through a two dimensional model of secondary lamella were carried out to study different factors affecting the performance of gills. The results obtained from both the studies (theoretical and computational) were in good agreement with each other. Thus, our study suggested that fish gills have optimized parametric ratios, at multiple length scales, throughout an evolution to arrive at an organ with enhanced mass transport capabilities. Further, our study also highlighted the role of length of primary and secondary lamella, surface area of secondary lamellae and inter-lamellar distance on gas/solute exchange capabilities of fish gills. Thus, these defined morphological parameters and parametric ratios could be exploited in future to design and develop efficient gas/solute exchange microdevices.

研究の動機と目的

• 魚の鰓におけるガス／溶質交換を最適化する形態計測的要因を理解すること。
• 構造的比が魚の体重量にどのようにスケーリングされ、輸送効率に与える影響を調査すること。
• 2次元の二次鰓片における対流拡散輸送をモデル化し、性能要因を定量化すること。
• 低分圧条件下で酸素抽出を最大化するための主要な幾何学的およびパrametric比を同定すること。

提案手法

• さまざまな魚の体重における形態計測的比（例：鰓片長、表面積、間鰓距離）の理論的分析。
• 酸素の対流拡散輸送を模擬するための二次鰓片の2次元計算モデルの構築。
• 異なる種において構造的および輸送的性質を正規化・比較するための次元なしパラメータの使用。
• 幾何的構成を変化させたシミュレーションを実施し、性能のトレードオフを評価すること。
• 理論的予測と計算結果の相関を検証し、最適な形態計測的構成の妥当性を確認すること。
• 得られた結果を応用し、ガス交換用の合成マイクロバソマル化ポリマー構造の設計を促進すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魚の鰓における酸素抽出効率に最も顕著に影響を与える形態計測的要因は何か？
• RQ2 一次および二次鰓片の長さ、表面積、間鰓距離がガス交換性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 魚の鰓に観察される形態計測的比が、最大の質量輸送を達成するために進化的に最適化されている程度はどの程度か？
• RQ4 2次元の対流拡散モデルは、生理的条件下での鰓片における酸素フラックスを正確に予測できるか？
• RQ5 複数の長さスケールにわたる最適なパrametric比は何か？それらはガス交換効率を最大化するためにどのように作用するか？

主な発見

• 理論的分析と計算モデルの両方の結果が強く一致し、ガス交換性能の予測精度が妥当であることが検証された。
• 二次鰓片長、表面積、間鰓距離の最適比は、特に低分圧条件下で酸素抽出を顕著に向上させた。
• 一次および二次鰓片の長さは、対流的および拡散的輸送効率の重要な決定要因であることが判明した。
• 間鰓距離は、流れの分布と酸素勾配の形成に影響を与える重要なパラメータであると特定された。
• 本研究では、魚の鰓が複数の長さスケールにわたり、質量輸送効率を最大化するために進化的に最適化されていることが明らかになった。
• 同定された形態的パラメータは、効率的なバイオインスパイアド微小流体ガス交換デバイスの設計図としての役割を果たす。