[논문 리뷰] Optimal morphometric factors responsible for enhanced gas exchange in fish gills

Prasoon Kumar, Prasanna S. Gandhi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 20.

Solar-Powered Water Purification Methods참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 이론적 및 수치 모델링을 통해 물고기 gills의 기체 교환 효율을 향상시키는 최적의 형태측정 요소—예를 들어, 제2차 세로판의 길이, 표면적, 세로판 간격, 주요 세로판의 길이—를 규명한다. 결과적으로 이러한 구조적 비율의 진화적 최적화가 질량 이동을 최대화함을 보여주며, 생체모방적 마이크로유체 기반 기체 교환 장치의 설계 원칙을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 물고기 gills에서 기체/용질 교환을 최적화하는 형태측정 요소를 이해하기 위해.
• 구조적 비율이 물고기 체중과 어떻게 관련되어 있으며, 이로 인해 질량 이동 효율이 어떻게 영향을 받는지 조사하기 위해.
• 2차원 제2차 세로판에서의 대류-확산 이동을 모델링하여 성능 결정 요소를 정량화하기 위해.
• 저분압 조건에서 산소 추출을 최대화하는 데 핵심이 되는 기하학적 및 매개변수 비율을 규명하기 위해.

제안 방법

• 다양한 물고기 체중에서 세로판 길이, 표면적, 세로판 간격 등의 형태측정 비율에 대한 이론적 분석.
• 산소의 대류-확산 이동을 시뮬레이션하기 위한 2차원 제2차 세로판의 수치 모델 개발.
• 다양한 종 간의 구조적 및 이동 특성을 정규화하고 비교하기 위해 무차원 매개변수의 사용.
• 기하학적 구성 요소의 변화에 따른 산소 유량을 시뮬레이션하여 성능의 상충 관계 평가.
• 이론적 예측와 수치 결과 간의 상관관계를 분석하여 최적의 형태측정 구성의 타당성 검증.
• 결과를 바탕으로 기체 교환을 위한 합성 마이크로혈관 구조를 가진 고분자 매트릭스 설계에 응용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물고기 gills에서 산소 추출 효율에 가장 크게 영향을 주는 형태측정 요소는 무엇인가?
• RQ2 주요 및 제2차 세로판의 길이, 표면적, 세로판 간격이 기체 교환 성능에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 관찰된 물고기 gills의 형태측정 비율이 질량 이동 효율을 극대화하기 위해 진화적으로 최적화되어 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 2차원 대류-확산 모델이 생리학적 조건에서 gill 세로판의 산소 유량을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 다양한 길이 척도에서 기체 교환 효율을 극대화하는 데 최적의 매개변수 비율은 무엇인가?

주요 결과

• 이론적 분석과 수치 모델링 결과가 강하게 일치하여, 기체 교환 성능에 대한 모델의 예측 정확도가 검증되었다.
• 제2차 세로판 길이, 표면적, 세로판 간격의 최적 비율이 저분압 조건에서 산소 추출 효율을 크게 향상시킴을 확인하였다.
• 주요 및 제2차 세로판의 길이는 대류 및 확산 이동 효율의 핵심 결정 요소로 밝혀졌다.
• 세로판 간격은 유속 분포 및 산소 기울기 형성에 영향을 주는 핵심 매개변수로 규명되었다.
• 이 연구는 물고기 gills가 다중 길이 척도에서 질량 이동 효율을 극대화하기 위해 진화적으로 최적화되어 있음을 밝혀냈다.
• 규명된 형태측정 매개변수들은 효율적인 생체모방적 마이크로유체 기반 기체 교환 장치 설계를 위한 청사진을 제공한다.