科學史就是一系列范式轉變——傳統理論被揭穿，并被新發現取代。南加州大學維特比工程學院的 Kanso 仿生運動實驗室已經習慣了這種范式轉變，并在主要期刊上發表他們的研究成果。

該實驗室最近發表在《自然物理學》雜志上的論文題為《流動物理指導纖毛器官的形態》，提出了對生物體中兩種不同液體泵送機制之間聯系的新認識：纖毛管道的“火焰”模型和“地毯”模型。

在人類中，纖毛組織在氣道、腦室、脊髓管和生殖系統中泵送液體。這些纖毛的特點是“地毯”設計——想象一層垂直于上皮表面的致密短纖維。許多動物的導管也有明顯不同的纖毛排列：纖毛火焰設計，其中緊密堆積、相對較長的纖毛沿著狹窄的管腔縱向跳動。

纖毛火焰并不存在于人類等大型多細胞生物中，因此人們認為，地毯狀和火焰狀這兩種形態是通過進化過程來區分的。然而，伊娃·坎索教授及其研究團隊(尤其是合著者南加州大學博士生馮玲*和研究科學家詹娜·納沃羅斯*)發現，這種區別實際上取決于不同的液體泵送需求。

換言之，形式服從功能。該團隊提出，纖毛器官設計的趨同遵循機械約束，而不是系統發育軌跡(進化和關系發展)。

本文提出了一系列纖毛泵的通用設計規則：一個統一的流體模型，該模型提出了兩個通常相反的模型之間意想不到的連續性。兩個結構參數，即管腔直徑和纖毛與管腔之比，將纖毛管道多樣性組織成一個連續的光譜，將地毯與火焰聯系起來。

在光譜的任一端，結果表明最大化的流速和壓力產生(與批量運輸和過濾的生理要求一致)，而沿著形態光譜的中間設計構成了最高效的混合物。

新發現有助于更清楚地研究和管理與纖毛功能障礙和液體積聚相關的主要病癥，包括支氣管擴張、腦積水和宮外孕。這些發現還有助于了解特定器官的功能。例如，用于排泄液體的纖毛火焰為研究人類腎臟疾病提供了一個模型系統。

盡管纖毛器官在動物生理學中具有根本重要性，但由于難以測量完整內部管道中的纖毛擺動和液體流動，纖毛管道形態與其泵送液體的能力之間的關系在很大程度上仍未得到探索。通過用實驗和數學建模來解決這一具有挑戰性的研究領域，Kanso Lab 提出了一種既創新又直觀的新方法。二分法被重新定義為連續體，科學和工程領域的重大挑戰就簡單了一步。

*目前在慕尼黑亥姆霍茲先鋒校區的 Nawroth 機械生物學實驗室工作