How the mantis shrimp builds its powerful club, and mysteries of middle Earth
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本周首先,特约撰稿人保罗·沃森加入主持人萨拉·克雷斯皮,讨论绘制地球中间层——地幔——的堵塞和流动图。他们还讨论了关于美国宇航局对唐纳德·特朗普总统政府行政命令的反应的最新政策报道。接下来,螳螂虾以其强大的棍棒而闻名,这是一种生物锤,它用来敲碎坚硬的外壳。棍棒在撞击时施加巨大的力量,但它如何在一次又一次的打击中保持自身完整?尼古拉斯·阿尔德雷特是美国国家标准与技术研究院的副研究员,但在进行这项工作时,他是西北大学理论与应用力学的毕业生研究员。他加入播客讨论螳螂虾棍棒的构成,以及它如何利用“声子学”——可以减少或改变高频振动的特殊微结构——来减少粉碎和猛击时的磨损。本周的节目是在Podigy的帮助下制作的。关于科学播客 作者:萨拉·克雷斯皮;保罗·沃森 了解更多关于您的广告选择的信息。访问megaphone.fm/adchoices</context> <raw_text>0 本周的节目部分由《科学职业》赞助播出。正在寻找一些职业建议吗?想知道如何取得进步或如何更好地平衡工作与生活吗?访问我们的网站,阅读其他人是如何做到的。使用我们的个人发展计划工具,访问特定主题的文章集,或搜索令人兴奋的新工作。

《科学职业》由《科学》和美国科学促进会制作,是一个免费的网站,其中包含丰富的资源,可帮助您充分利用您的职业生涯。立即访问sciencecareers.org开始使用。这是2025年2月7日的科学播客。我是萨拉·克雷斯皮。本周首先,特约撰稿人保罗·沃森加入我,讨论绘制地球中间层,也就是地幔的堵塞和流动图。♪

接下来是螳螂虾及其强大的棍棒。研究员尼古拉斯·阿尔德雷特加入我,讨论螳螂虾棍棒的材料,以及它如何利用声子学——可以消除或改变高频振动的特殊微结构——来减少粉碎和猛击时的磨损。地球的主要层,三大层,地壳,我们居住的地方......

地幔位于下方,构成地球的大部分,地核位于中心,那是地球的发电机,赋予我们磁场,你知道,赋予我们两极。等等,退一步,地幔的作用是什么?它只是介于两者之间的一种填充物吗?

本周的科学新闻中,特约新闻撰稿人保罗·沃森写了一些关于我们对地幔理解的有趣进展。那里有一些额外的复杂性。你好,保罗。欢迎回到播客。你好。所以我把它说得非常戏剧化,但我假设地幔对你来说从来都不是枯燥的,这是你的领域。

是的,我的意思是,实际上,地幔就是地球,对吧?大约,哦,地球体积的五分之四是地幔。这就是我们有板块构造的原因。所有这些大陆板块都在地幔上漂浮,然后潜入地幔,被吸下去。

然后再次上升,形成新的板块。所以它是地球的重要组成部分。我还记得学习地幔柱。期刊中实际上有一些关于此的非常好的图形。这基本上就像,你知道,地幔上升,它上升并穿透地壳,你就得到了夏威夷,对吧?

是的,几十年来的一项重大努力是试图弄清楚这些热点是否真的通过地幔一直连接到这些地幔柱。我的意思是,十多年来,人们普遍认为它们确实是这样做的,这要归功于这些先进的地震技术。我们可以看到这些地幔柱。所以我们一直都知道板块构造,它们上升和下降。就像在俯冲带,你知道,就像在智利海岸,那里有

大陆正在潜入地幔。从这些更先进的技术中出现的一个谜团是,是的,我们看到东西一直向下和向上移动,板块一直向下移动,地幔柱一直向上移动。但有时它们也会卡住。它们卡在660层,比如地下660公里,1000公里,只是直接向下,然后停滞,变平。

但有些会,有些不会。试图弄清楚原因是什么一直是一个很大的问题。我们今天要讨论的许多新的工作以及过去几十年的工作都是关于这些穿过地球的地震波,基本上是发生偏转。随着密度的变化,随着物质通过的变化,你可以解读出来。

例如,你谈到的在地表以下660公里处的地震波弯曲。我们对那里发生的事情了解多少?是的,这个660层是地球内部最著名的特征之一。人们已经知道这件事有半个世纪了,甚至更久。它只是一个清晰的点,这些地震波穿过它,到处都改变速度。这对每个人来说都意味着,哦,那里正在发生一些根本性的变化。

地幔的特点是它充满了这些名字很奇怪的矿物。只有在高温高压下才能形成的东西,我们可能知道的一些经典矿物,有些人可能知道像地表上的橄榄石,变成这种岩浆状物质,变成不同的形式。随着你向下移动,它们的晶体结构会重新排列。而这个660层,人们预计它

将在这个所谓的林伍德石(一种橄榄石的形式)分解成其他成分的点上。好的。你有一种过渡带,那里的热量和压力恰好可以改变地幔的主要成分,

并以某种方式改变其物理状态。这是我们已经知道一段时间的事情。然后你写到的新工作在深度约1000公里处标记了另一个有趣的变化点。我们对这个我们不太了解的神秘层是如何被发现的?是的。所以这不太为人所知,被接受,但很难看到那里。这有点,真的很模糊。是的。

在某种程度上,你可以比地幔的这一部分更好地看到地核,使用地震成像。部分原因是海洋上有许多地震仪。而且,你知道,我们有很多东西是缺失的。但在过去十年中,有一些迹象表明在这个深度附近正在发生一些事情。一些证据表明,至少在太平洋地区,可能发生了一种转变。最近发表的新工作

在去年年底的AGU会议上发表,现在表明这是一个全球层,那里正在发生一些事情。对。所以当你想到一个全球层时,不要考虑横截面。它是一个壳层,位于地球表面以下1000公里处。我们看到了这些偏转,但它并不像660层那样一致。这就是人们不太确定它的原因吗?

是的,它远没有那么明显。你真的必须从这些断层扫描模型中,人们从地震波中创建的地幔“CT扫描”中把它挑出来。但这支团队从三个不同的模型中做到了这一点,这些模型是独立的,使用不同的方法,然后运行了这个机器学习算法。所以一件事,当你寻找这些东西时,在某种程度上,你寻找的东西会影响你看到的东西,你关注的东西。他们运行了这个无监督的机器学习模型,我

这个模型没有偏见地查看所有内容,并在1000公里以下提取了这个信号。有支持性证据表明情况可能如此。关于为什么那里可能存在过渡,有什么想法、假设吗?可能正在发生一些事情?没有很多。这是一个新兴领域。去年有一篇论文提出那里的矿物晶粒尺寸

可能会发生变化。这可能是一个根本原因。那里没有已知的相变发生。关键问题是,在表面上通过实验模拟那里发生的事情非常困难。所以这将是一个新兴领域。非常酷。我想回到660线,人们已经研究了更长时间,他们正在进行这些表面实验,他们试图重现一些情况,

强烈的热量和压力。但在这里使用这些叫做砧的东西,你能谈谈他们从这些实验中学到了什么吗?所以这些实验,这很快就会变得非常矿物物理学化,但他们在德国和日本有这些巨大的压力机,过去几年

研究人员一直在更好地实验性地限制正在发生的事情。在这个经典的660深度,实际上有几个不同的相变很重要。这很细微,但人们预计这将非常有序,就像压力和温度将与彼此整齐地相关。因此,如果一个俯冲板块,被吸下去的旧大陆比周围的地幔要冷得多。

所以这里要退一步说的是,这些相变控制着这种物质的密度。它变得更致密,密度更小。因此,如果你在一个不同的点改变密度,因为板块的温度不同,所有周围的东西都变得浮力更大,它不想下降。所以所有这些使用砧的新工作表明,这不是这种简单的外推法,线性外推法。它们有点弯曲。它们是非线性的。如果它稍微冷一点,它可能与它稍微暖一点的情况非常不同。

这可以帮助解释为什么这些东西会停滞不前。好的。所以关于地幔还有很多东西需要学习。我们必须再次检查。最后我想谈谈的是,就像我们这里的许多其他记者一样,你报道的机构发生了很多变化。所以我想谈谈政策,你一直在报道的一些政策故事。

我们已经看到特朗普政府发布的这些行政命令,它们对NSF和NASA产生了影响。你能谈谈你关于NASA在这些行政命令下正在发生的事情的故事吗?是的,这真是疯狂的一周。哦,我应该注意,我们在2月3日星期一录音。所以如果这个在星期四播出......

情况完全不同,我很抱歉。我们对此无能为力。但继续吧。让我们先去NASA。是的。所以在NASA,你有一些命令限制政府进行DEI活动。他们正在采取步骤得出结论。没有法律命令他们这样做,但他们在拜登领导下这样做。他们启动的一个项目,直到最近他们都为此感到非常自豪,叫做“来观察”,它会

让来自非大型研究型大学,例如小型院校的学生,与不同航天器的任务科学家联系,与NASA合作。所以,你知道,这对本科生来说是一个令人惊叹的机会,可以接触到不去

不去亲自去,但他们会参加这些科学团队的Zoom会议,观察他们如何解释他们正在研究的火星地层证据,真正了解科学是什么样的,而不是它通常是如何在教科书中传达的。现在,这个项目处于严重的困境中。一些负责这些任务的联邦承包商已经切断了任务科学家对它的支持。NASA将要做什么的确切情况尚不

确定,但前景并不乐观。目前所有资金都被暂停了。而且,你知道,至少一位项目官员告诉他的PI,这很可能会被取消。然后还有另一边的学生通过一门课程参与其中,对吧?这是他们在为学分做的事情。这些课程可能会继续。但是,是的,机构的领导者,科学家,组织这个的教授,你知道,建立了课程,

围绕着这个。有些学生正在建造辐射计。他们可能不再有资源来做到这一点。是的,这是一个新闻团队正在进行的一种报道的例子。他们正在查看所有这些正在发生在这些机构的变化。

然后也深入到这些项目中,科学家们与世界互动,并了解那里正在发生的事情。我认为看到实际的、直接的影响非常有用。

是的,它听起来可能非常抽象。没错。当你失去细节时,就更容易谈论项目了。更容易忽略。是的。好的,保罗,我想这就是我们今天要谈的。非常感谢你抽出时间来谈话。是的,谢谢。保罗·沃森是《科学》杂志的特约新闻撰稿人。你可以在science.org/podcast找到我们讨论的故事链接。

敬请期待我与研究员尼古拉斯·阿尔德雷特关于螳螂虾如何制造一个永不放弃的强大生物锤的聊天。

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孔雀螳螂虾以其强大的棍棒而闻名。在狩猎时,虾会以令人难以置信的速度挥舞出这种圆形的附肢,并以巨大的力量猛击蜗牛或蛤蜊等坚硬外壳的猎物。

这种武器的奥秘之一是它如何在不破坏自身的情况下施加如此大的力量。本周的科学新闻中,研究员尼古拉斯·阿尔德雷特及其同事揭示了螳螂虾强大的棍棒如何一次又一次地保持完整,有两个细节。你好,尼古拉斯。欢迎来到科学播客。

你好,萨拉。感谢你的邀请。我很高兴来到这里。哦,是的,我们很高兴有你。你知道,我觉得在过去十年里我们有很多关于螳螂虾的论文。但这里有很多科学。这里有很多科学,弄清楚它如何如此快速地移动,如何施加如此大的力量,以及这种力量的作用。而且它们的视觉也令人难以置信地令人着迷。所以这个故事有很多内容。

对这种动物来说。它们是体型较小的生物。它们长10到18厘米之间,但它们实际上确实表现出一些非凡的特征,不仅在它们拥有的掠食能力方面,而且正如你提到的,它们以拥有动物界最先进的视觉系统而闻名。是的,当我应该看这些棍棒的东西时,我总是有点分心去看它们的偏振视觉。

当我应该看这些棍棒的东西时。但让我们谈谈棍棒对猎物施加的力量。你知道,你能大致说明一下这里发生的事情吗?当然。正如你所说,这种生物有两个所谓的掠夺性附肢,这基本上是两个前肢,将被用来击打它的猎物。现在,就数量级和一些粗略的数字而言,你可以把螳螂虾的打击想象成......

比如说,在加速度方面,它相当于一颗0.22口径的子弹。它可以施加高达1500牛顿的力量,这超过其自身重量的1000倍。所以与其问它如何产生这么大的力,不如说它如何承受这么大的力?所以我实际上不得不学习一个叫做声子学的新领域。你能描述一下那是什么吗?是的。所以声子学领域是......

你可能更熟悉它的姊妹领域,叫做光子学,它处理光。但声子学实际上处理的是,嗯,声子来自希腊语的声音,所以它处理的是声音,或者在我们的例子中是弹性波。所以声子学领域基本上是研究弹性波在材料中的传播。对。并且有很多方法可以塑造声子学。

或测量这些东西。是的,最近获得广泛关注的一件事是声子超材料领域。人们开始研究如何排列材料以具有这些声子特性。通过声子特性或声子行为,我的意思是

某种意义上的奇异行为,你可以过滤波,你可以用它来隐形,或者你可以用它来传感。所以你可以利用一系列声子特性来设计功能。是的,这太有趣了。我的意思是,我通过光学了解了更多关于它的信息。如果你只是简单地考虑一下结构颜色,

创造比光波长尺度更小的非常复杂的表面,以便你可以与光相互作用并使用表面改变其特性。所以不是让它穿过某物,而是

而是让它从某物上反弹。但我们将把它应用于振动能量而不是光?没错。就是这样。你确实提出了一个有趣的观点。如果你真的看看表现出光子特性的自然系统,以便它们能够以这些有趣的方式与光相互作用,那么对它们的研究所比对光子生物材料的研究要多得多。所以当......

当你想要检查声子学是否在螳螂棍棒,在这种打击附肢中起作用时,你在寻找什么来证明,哦,好吧,这在微观尺度上看起来有点声子学?所以我们做了一些激光实验,我们使用激光将波发射到结构中,我们会用另一个激光拾取波在材料中传播。

我们会寻找输出中的某些特征,这会告诉我们,好的,这是一个声子学结果。至于这些信号是什么,好吧,我们确实发现了所谓的声子带隙的证据。

我认为这是声子晶体最著名的特征之一。这基本上是一个频率范围,在这个范围内波无法传播。对。如果你考虑一个频谱,只是切掉一块,你一直都在用音频做这个。你就像,有一个高音噪音。是的。我要给它设置一个门,我要消除那个噪音。但这是一种通过与尺寸、结构形状相互作用来做到这一点的材料。

并且它与能量波相互作用。所以你能够在激光读数中看到这一点。这说明了实际的结构?它是什么样的?在声子学界,你有两种变体。一种是声子晶体或声子超材料。为了我们的目的,让我们只谈谈声子晶体。为了让声子晶体工作,你需要有一个周期性结构。所以基本上是一个非常有序的结构

材料的排列。但我们不确定螳螂虾的实际结构,即使人们知道它有一个所谓的周期性区域,实际上是否足够周期性以至于能够表现出这种声子行为。

所以我们发现了一些叫做块谐波的东西,你实际上只在通过微纳制造策略生产或制造的声子晶体中看到这些东西。那是

块B-L-O-C-H。对吗?是的。是的。所以你在你的信号和你的材料中看到了这种周期性,并且它们都匹配起来,说明这正在切断一些穿过它的频率。是的。它的表现是什么?从实际角度来看这意味着什么?你知道,当棍棒撞击某物时会发生什么?好的。我们做了我们的实验。

我们在兆赫兹范围内发现了这些频率带隙,这非常酷。但随后我们说,好的,这与功能有什么关系?这对螳螂虾有什么用?所以我们开始回顾文献,研究人们对这些生物的冲击动力学了解多少。

我们发现的一件事是,实际的打击包括一系列事件,这些事件的时间跨度为六个数量级,从毫秒级到纳秒级。实际上,螳螂虾会施加我们所说的双重打击。第一次打击将是实际的物理打击,当棍棒推动或撞击目标时。然后,由于所涉及的速度,你将会有一个空化事件。

当棍棒缩回时,它会在周围流体中产生一个低压区域,这会产生空化气泡。所以你将在流体中产生一些会坍塌的小气泡。这是我们最近在播客中讨论过的事情。它被用于,我们有时用声波治疗人们。没错。你实际上可以用人体内的小气泡的空化来分解某些东西。你用它来破坏东西。

所以这说明了空化现象的性质,这实际上是相当具有破坏性的。这就像对螳螂虾的目标或猎物的另一次打击。但这也会伤害棍棒。没有什么能说明仅仅因为你制造了空化就意味着你不会受到它的伤害。对。而这种空化,我们发现空化的内爆发生在纳秒级。这与我们在棍棒中发现这些声子现象行为的频率范围非常吻合。

好的,所以基本上,棍棒中声子学正在切断或减少的频率范围与你从空化中看到的一致。所以这意味着这很可能是棍棒免受空化、这些气泡破裂的保护方式。这里有很多材料科学。哦,是的。但是

材料是什么?它是由什么制成的?你可以把它想象成一个由三层组成的拳击手套。外层称为冲击面,随着多次冲击而磨损。

这实际上是由一些纳米粒子制成的。像几丁质之类的东西?所以请注意,这些是,所以在冲击面上,HAB,即羟基磷灰石纳米粒子,更坚韧和更硬,这正是你在保护系统中想要的。然后是下一层,冲击区域。然后我们有周期性区域。所以你就像这三层。最后两层是由几丁质纤维制成的。

它们是有机纤维。许多生物系统都有几丁质。但螳螂虾周期性区域的特别之处在于,这些几丁质纤维束并非随机排列。它们是螺旋状排列的。假设你有一层这些纤维束,然后在其上叠加另一层纤维束,但你要将它们旋转一定的角度。并且

你会像这样依次进行,最终得到这些纤维的螺旋状堆叠。非常有趣。这也是周期性的。对于自然发生的事情来说,这令人着迷。我们正在了解自然。我们正在了解这个棍棒是如何工作的。

我们将声子学应用到自然界中。很好。但这是一种以前使用过的声子学方法吗?例如,人们尝试过吗?所以有一些使用这种螺旋结构制造的声子材料,但我认为没有一个具有生物系统的复杂性。这带来了另一种有趣的可能性或机会,叫做生物声子学,它实际上是......

好的,如果我们不复制材料,如果我们开始使用或劫持这些材料来实现我们想要的目的呢?或者我们对其进行一些修改,但我们使用自然界的所有工具来实现它。对。所以使用不同的生物体来培育这些东西,你并不一定想要一堆螳螂虾。一个好的用例是什么?

假设你能够设计出不同尺寸的这种触觉棍棒。你可以对这些频率带隙的范围进行排序移动以创建过滤器。哦,不是制造越来越大的棍棒。不,不,不,不。我们不需要那个。没错。但你可以改变频率率的闸门上下。哦,非常酷。那对什么有用?例如,对于instax?

隔振。是的。所以可以防止振动。即使你进入更低的尺度,你也可以开始将这些声子机制用于热传递,因为你可以将热量理解为波。然后你可以将所有这些波机制的炮兵带入其中。但这是在较低的尺度上。那么接下来是什么?你还想了解关于这个棍棒或声子学或,我不知道,虾的什么?

所以剩下的事情之一是更深入地研究棍棒的冲击动力学。有一些研究研究了冲击动力学,但仪器的分辨率不足以真正达到我们感兴趣的尺度。一旦你开始进入动态现象的领域,那里有很多东西。所以我预计未来会有很多关于曼彻斯特的论文。谢谢,尼古拉斯。谈论这个真的很有趣。

谢谢,萨拉。很高兴来到这里。尼古拉斯·阿尔德雷特目前是美国国家标准与技术研究院的副研究员。在这篇论文的工作期间,尼古拉斯是西北大学理论与应用力学的毕业生研究员。你可以在science.org/podcast找到我们讨论的论文链接。

这就是本期科学播客的全部内容。如果您有任何意见或建议,请写信至[email protected]。要在播客应用程序中找到我们,请搜索《科学》杂志,或访问我们的网站science.org/podcast收听。本节目由我萨拉·克雷斯皮、梅根·坎特韦尔和凯文·麦克莱恩编辑。我们得到了Podigy的制作帮助。我们的节目音乐由杰弗里·库克和温科伊·温创作。

代表《科学》及其出版商美国科学促进会,感谢您的收听。您收听我们是为了了解科学领域的新发现。但您知道我们是美国科学促进会的一部分吗?美国科学促进会是一个非营利性出版商和科学协会。当您加入美国科学促进会时,您将帮助支持我们的使命,即为了所有人的利益而推进科学。

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