#138 · The Hagfish · Short Articles

On a July afternoon in 2017, an Oregon highway was erased by three tonnes of white, suffocating slime. The spill, caused by a truck carrying Pacific hagfish, revealed to the public what marine biologists have known for decades: this ancient, jawless scavenger is the master of a biological deterrent that defies the physics of fluid dynamics.

On July 13, 2017, a flatbed truck swerved on Oregon Highway 101, spilling thirteen containers of live cargo onto the asphalt. The cargo was 7,500 pounds of Pacific hagfish, headed for export to South Korea. Within seconds, the road and a nearby sedan were buried under a deluge of translucent, viscous goo. The fish, stressed by the impact, had triggered their primary defence mechanism. Firefighters spent the afternoon using snowploughs and high-pressure hoses to clear a substance that seemed to grow even as it was washed away.

This is the world of the Myxini, a class of jawless fish that has persisted almost unchanged since the Carboniferous period, some 310 million years ago. Often called 'slime eels', hagfish are not eels at all. They are an evolutionary bridge, the only living animals that possess a skull but no vertebral column, though they retain rudimentary vertebrae in their tails. Their bodies are pink, worm-like, and encased in skin that fits as loosely as a sagging sock. They are blind, scavenging the deep sea floor for carcasses by smell and touch, yet they possess a defensive weapon so effective that even the most aggressive sharks will gag and retreat after a single bite.

The expansion of matter

Around the hagfish’s body are approximately one hundred slime glands. When a predator strikes, these glands eject a tiny volume of milky exudate—barely a teaspoon’s worth—consisting of two components: mucin and intermediate filament threads. In less than 0.4 seconds, this mixture reacts with seawater to expand 10,000 times in volume. The result is not a simple gel, but a complex, viscoelastic mesh that traps water and turns it into a choking slurry. A single hagfish can turn a twenty-litre bucket of water into a solid mass of slime in the time it takes to blink.

The secret lies in the threads. Each gland contains thousands of 'skeins', tightly coiled protein balls just 100 micrometres long. When they hit the water, the glue holding the skeins together dissolves, and the threads—some ten centimetres long—unspool with explosive speed. These threads are made of alpha-keratin, similar to the proteins in human hair and fingernails, but with a tensile strength and energy-absorbing capacity that rivals spider silk. Researchers at the University of Guelph have found that these filaments can be stretched to several times their original length without breaking, making them a prime candidate for the development of new, sustainable high-performance fibres.

The travelling knot

Living in a self-generated cloud of suffocating goo presents a problem: the hagfish must breathe. To survive its own defence, the animal has evolved a unique behaviour known as the travelling knot. By tying its own body into an overhand knot and sliding the loop from head to tail, the hagfish physically scrapes the slime off its skin, clearing its single nostril and gill openings.

This knotting is also their primary tool for feeding. Because they lack jaws, hagfish have no way to bite off chunks of meat from the carcasses they scavenge. Instead, they use a pair of horizontally moving, comb-shaped plates of keratin to grasp flesh. Once anchored, they tie a knot in their tail and slide it forward against the side of the prey, creating a point of leverage that allows them to pull and tear away pieces of muscle. Often, they will enter the carcass through an existing orifice or by rasping a hole, eviscerating the animal from the inside out until only a 'whale-fall' skeleton and a sack of skin remains on the ocean floor.

What we still don't know

We do not know how hagfish reproduce in the wild. Despite their abundance in the deep sea, no one has ever witnessed their mating or egg-laying in their natural habitat. In captivity, they rarely produce embryos, and the few yolky, Velcro-tipped eggs that have been studied offer only a glimpse of their development, which skips the larval stage entirely.

We do not fully understand the evolutionary history of their eyes. While modern hagfish possess only simple eyespots capable of detecting light, fossils from the Carboniferous period suggest their ancestors may have had more complex, lensed eyes. Whether they lost their sight as an adaptation to the dark, silty depths, or whether they represent a more primitive branch of the visual tree, remains a subject of intense debate among morphologists.

And we have yet to master the synthesis of their slime. While the intermediate filament threads can be produced recombinantly in E. coli, the exact process by which the hagfish packages these threads into such compact, high-speed deployment systems remains beyond our current engineering. We are looking at a 300-million-year-old solution to a materials science problem we are only just beginning to define.

The hagfish is a reminder that in the deep ocean, the most effective weapon is not a tooth or a claw, but the ability to turn the very environment itself against an intruder.

2017年7月的一个下午，俄勒冈州的一条公路被三吨白色、令人窒息的粘液抹去。这起事故由一辆运输太平洋鳕鱼的卡车引起，向公众揭示了海洋生物学家几十年来早已知晓的事实：这种古老的无颌食腐动物，是生物防御机制的大师，其能力颠覆了流体力学的物理规律。

2017年7月13日，一辆平板卡车在俄勒冈州101号公路上突然转向，将十三个装有活体货物的箱子倾倒在沥青路面上。这些货物是7500磅的Pacific hagfish，原本要出口到韩国。几秒钟内，道路和附近的一辆轿车都被透明粘稠的液体淹没。这些鱼因撞击而受到惊吓，触发了它们主要的防御机制。消防员花了整个下午，用铲雪机和高压水枪清理一种似乎在冲刷的同时还在不断扩大的物质。

这是Myxini的世界，这一类无颌鱼几乎自Carboniferous period以来就几乎没有变化，距今已有大约3.1亿年。它们经常被称为“粘液鳗鱼”，但其实根本不是鳗鱼。它们是进化过程中的桥梁，是唯一现存的拥有颅骨却没有脊椎的动物，尽管它们的尾巴中保留着原始的脊椎。它们的身体呈粉红色，像蠕虫，皮肤松弛如松垮的袜子。它们是盲目的，靠嗅觉和触觉在深海海底寻找腐肉，但它们拥有一种如此有效的防御武器，即使是最具攻击性的鲨鱼在咬了一口之后也会窒息并退却。

物质的扩张

在七鳃鳗的身体周围大约有一百个slime glands。当捕食者攻击时，这些腺体会喷出一小量乳白色分泌物——大约一茶匙的量——由两个成分组成：mucin和intermediate filament纤维。不到0.4秒的时间，这种混合物就会与海水反应，体积膨胀1万倍。其结果不是一种简单的凝胶，而是一种复杂的粘弹性网状结构，能够捕获水并将其变成令人窒息的泥浆。一条七鳃鳗可以在眨眼的时间内将一个20升的水桶变成一团粘稠的粘液。

秘密在于这些纤维。每个腺体包含数千个“线团”，紧密缠绕的蛋白质球，长度仅100微米。当它们接触到水时，粘合线团的胶水溶解，长度达十厘米的纤维以爆炸性的速度展开。这些纤维由α-角蛋白构成，类似于人类头发和指甲中的蛋白质，但其抗拉强度和吸能能力可与蜘蛛丝相媲美。University of Guelph的研究人员发现，这些纤维可以被拉伸到其原始长度的数倍而不破裂，使它们成为开发新型可持续高性能纤维的理想候选材料。

移动的结

生活在自己制造的令人窒息的粘液云中会带来一个问题：七鳃鳗必须呼吸。为了生存，这种动物进化出了一种独特的行为，称为travelling knot。通过将身体打成一个过手结，并从头部滑动到尾部，七鳃鳗会物理地刮除粘液，清理出其单个鼻孔和鳃开口。

这种打结也是它们进食的主要工具。由于它们没有颌，无法从它们觅食的腐肉上咬下一块肉。相反，它们使用一对水平移动的梳状角蛋白板来抓住肉。一旦固定住，它们会在尾巴上打一个结，并将其向前滑动，以施加在猎物侧面的杠杆作用，使它们能够拉扯并撕下肌肉块。通常，它们会通过现有的孔或通过刮擦出一个洞进入尸体，从内部将动物内脏掏空，直到只剩下“鲸落”骨架和一个皮囊留在海底。

我们仍然不了解的事情

我们不知道七鳃鳗在野外是如何繁殖的。尽管它们在深海中数量众多，但没有人曾在其自然栖息地中目睹过它们的交配或产卵行为。在人工饲养条件下，它们很少产生胚胎，而研究过的少数带卵黄、带魔术贴状末端的卵，也只提供了其发育过程的一瞥，它们的发育过程完全跳过了幼虫阶段。

我们对它们眼睛的进化历史也了解不深。虽然现代的七鳃鳗只有简单的感光斑点，能够探测光线，但来自Carboniferous period的化石表明它们的祖先可能拥有更复杂的有晶状体的眼睛。它们是否因为适应黑暗、泥泞的深海而失去视力，还是它们代表了视觉进化树中更原始的分支，仍然是形态学家之间激烈争论的话题。

我们尚未掌握它们粘液的合成方法。尽管intermediate filament纤维可以在E. coli中通过重组技术生产，但七鳃鳗将这些纤维包装成如此紧凑、高速部署系统的精确过程，仍然超出了我们目前的工程能力。我们正在面对一个3亿年前的材料科学问题的解决方案，而我们才刚刚开始定义这个问题。

七鳃鳗提醒我们，在深海中，最有效的武器不是牙齿或爪子，而是将环境本身转化为入侵者的武器的能力。

Numa tarde de julho de 2017, uma estrada do Oregon foi apagada por três toneladas de lama branca, sufocante. O derramamento, causado por um caminhão transportando hagfish do Pacífico, revelou ao público o que biólogos marinhos já sabiam há décadas: este antigo escavador sem mandíbula é o mestre de um mecanismo biológico dissuasivo que defia a física da dinâmica dos fluidos.

Em 13 de julho de 2017, um caminhão baú desviou-se da estrada 101 no Oregon, derramando treze contêineres de carga viva sobre o asfalto. A carga consistia em 7.500 libras de Pacific hagfish, destinadas à exportação para a Coreia do Sul. Em segundos, a estrada e um automóvel próximo ficaram enterrados sob uma avalanche de substância translúcida e viscosa. Os peixes, estressados pelo impacto, haviam acionado seu principal mecanismo de defesa. Bombeiros passaram a tarde usando rolos compactadores e mangueiras de alta pressão para limpar uma substância que parecia crescer mesmo enquanto era lavada.

Este é o mundo do Myxini, uma classe de peixes sem mandíbula que persiste quase inalterada desde o Carboniferous period, há cerca de 310 milhões de anos. Muitas vezes chamados de "sapos-limões", os pepinos-do-mar não são peixes-enguia de forma alguma. São uma ponte evolutiva, os únicos animais vivos que possuem um crânio, mas não uma coluna vertebral, embora ainda conservem vértebras rudimentares em suas caudas. Seus corpos são rosados, semelhantes a minhocas, envoltos por uma pele solta como meias frouxas. São cegos, exploram o fundo do oceano profundo à procura de carcaças por cheiro e toque, mas possuem uma arma defensiva tão eficaz que até mesmo os tubarões mais agressivos engasgam e fogem após um único mordisco.

A expansão da matéria

Ao longo do corpo do pepino-do-mar existem aproximadamente cem slime glands. Quando um predador ataca, essas glândulas expulsam um pequeno volume de excreção leitosa — mal uma colher de chá — composta por dois componentes: mucin e fios de intermediate filament. Em menos de 0,4 segundos, essa mistura reage com a água do mar e expande-se 10.000 vezes em volume. O resultado não é um gel simples, mas uma complexa rede viscoelástica que retém a água e a transforma em uma pasta sufocante. Um único pepino-do-mar pode transformar um balde de vinte litros de água em uma massa sólida de muco no tempo de um piscar de olhos.

O segredo está nos fios. Cada glândula contém milhares de "ovelhas", bolas de proteína apertadamente enroladas com apenas 100 micrômetros de comprimento. Ao entrarem em contato com a água, a cola que mantém essas ovelhas unidas dissolve-se, e os fios — alguns com dez centímetros de comprimento — desenrolam-se com velocidade explosiva. Esses fios são feitos de queratina alfa, semelhante às proteínas do cabelo e das unhas humanas, mas com uma resistência à tração e capacidade de absorção de energia que rivalizam com o fio de aranha. Pesquisadores do University of Guelph descobriram que esses fios podem ser esticados várias vezes seu comprimento original sem se romperem, tornando-os um candidato promissor para o desenvolvimento de novas fibras de alto desempenho e sustentáveis.

O nó viajante

Viver em uma nuvem de muco sufocante auto-gerado apresenta um problema: o pepino-do-mar precisa respirar. Para sobreviver à sua própria defesa, o animal evoluiu um comportamento único conhecido como travelling knot. Ao amarrar seu próprio corpo em um nó de meia volta e deslizando o laço da cabeça para a cauda, o pepino-do-mar escova fisicamente o muco de sua pele, limpando seu único nariz e aberturas brânquicas.

Esse emaranhado também é sua ferramenta principal para se alimentar. Como não possuem mandíbulas, os pepinos-do-mar não têm como morder pedaços de carne das carcaças que scavam. Em vez disso, usam um par de placas horizontais, em forma de escova, feitas de queratina para segurar a carne. Uma vez fixos, eles amarram um nó na cauda e deslizam para frente contra o lado da presa, criando um ponto de alavanca que lhes permite puxar e arrancar pedaços de músculo. Muitas vezes, eles entram na carcaça por uma abertura já existente ou raspam um buraco, eviscerando o animal por dentro até que reste apenas um esqueleto de "baleia morta" e um saco de pele no fundo do oceano.

O que ainda não sabemos

Não sabemos como os pepinos-do-mar se reproduzem na natureza. Apesar de sua abundância no oceano profundo, ninguém jamais testemunhou seu acasalamento ou postura de ovos em seu habitat natural. Em cativeiro, eles raramente produzem embriões, e os poucos ovos com gema e pontas em velcro que foram estudados oferecem apenas uma visão parcial de seu desenvolvimento, que pula totalmente a fase larval.

Não compreendemos plenamente a história evolutiva de seus olhos. Embora os pepinos-do-mar modernos possuam apenas simples manchas oculares capazes de detectar luz, fósseis do Carboniferous period sugerem que seus ancestrais podem ter tido olhos mais complexos, com lentes. Se perderam a visão como adaptação às profundezas escuras e arenosas, ou se representam um ramo mais primitivo da árvore visual, permanece um tema de intensa discussão entre morfologistas.

E ainda não dominamos a síntese de seu muco. Embora os fios de intermediate filament possam ser produzidos recombinantemente em E. coli, o processo exato pelo qual o pepino-do-mar empacota esses fios em sistemas tão compactos e de rápida implantação permanece além de nossa engenharia atual. Estamos diante de uma solução de 300 milhões de anos para um problema de ciência dos materiais que só começamos a definir.

O pepino-do-mar é um lembrete de que, no oceano profundo, a arma mais eficaz não é um dente ou uma garra, mas a capacidade de transformar o próprio ambiente contra um invasor.

En una tarde de julio de 2017, una carretera de Oregon fue borrada por tres toneladas de una babosa blanca, asfixiante y viscosa. La derrama, causada por un camión transportando haimas del Pacífico, reveló al público lo que los biólogos marinos han sabido durante décadas: este antiguo carroñero sin mandíbula es el maestro de un mecanismo de defensa biológica que desafía las leyes de la dinámica de fluidos.

El 13 de julio de 2017, un camión de plataforma se desvió en la carretera 101 de Oregon, derramando trece contenedores de carga viva sobre el asfalto. La carga era 7 500 libras de Pacific hagfish, destinadas a la exportación a Corea del Sur. En cuestión de segundos, la carretera y un sedán cercano quedaron sepultados bajo un diluvio de sustancia translúcida y viscosa. Los peces, estresados por el impacto, habían activado su mecanismo de defensa principal. Los bomberos pasaron la tarde usando rastras para nieve y mangueras de alta presión para limpiar una sustancia que parecía crecer incluso mientras era arrastrada.

Este es el mundo de los Myxini, una clase de peces sin mandíbula que ha persistido casi sin cambios desde el Carboniferous period, hace unos 310 millones de años. A menudo llamados "anguilas viscosas", las anguilas hacha no son en absoluto anguilas. Son un puente evolutivo, los únicos animales vivos que poseen un cráneo pero no una columna vertebral, aunque conservan vértebras rudimentarias en sus colas. Sus cuerpos son rosados, similares a gusanos, y revestidos de una piel que se ajusta tan sueltamente como un calcetín desgastado. Son ciegos, escarban el fondo marino profundo en busca de cadáveres por olfato y tacto, pero poseen un arma defensiva tan eficaz que incluso los tiburones más agresivos se ahogarán y retrocederán tras un solo bocado.

La expansión de la materia

Alrededor del cuerpo de la anguila hacha hay aproximadamente cien slime glands. Cuando un depredador ataca, estas glándulas expulsan un pequeño volumen de exudado lechoso—apenas una cucharadita—compuesto por dos componentes: mucin y hilos de intermediate filament. En menos de 0,4 segundos, esta mezcla reacciona con el agua de mar y se expande 10 000 veces su volumen. El resultado no es un gel sencillo, sino una red compleja y viscoelástica que atrapa el agua y la convierte en una pasta asfixiante. Una sola anguila hacha puede convertir un cubo de veinte litros de agua en una masa sólida de viscosidad en el tiempo que se tarda en parpadear.

El secreto está en los hilos. Cada glándula contiene miles de "madejas", bolas de proteína enrolladas apretadamente de apenas 100 micrómetros de largo. Cuando entran en contacto con el agua, la cola que mantiene unidas las madejas se disuelve y los hilos—algunos diez centímetros de largo—se desenrollan con una velocidad explosiva. Estos hilos están hechos de queratina alfa, similar a las proteínas del cabello y las uñas humanas, pero con una resistencia a la tracción y una capacidad de absorción de energía que compite con el sedal de araña. Investigadores del University of Guelph han descubierto que estos filamentos pueden estirarse varias veces su longitud original sin romperse, convirtiéndolos en un candidato ideal para el desarrollo de nuevas fibras de alto rendimiento y sostenibles.

El nudo viajero

Vivir en una nube auto-generada de sustancia asfixiante plantea un problema: la anguila hacha debe respirar. Para sobrevivir a su propia defensa, el animal ha evolucionado un comportamiento único conocido como el travelling knot. Al atar su propio cuerpo en un nudo de carabinero y deslizar el bucle desde la cabeza hasta la cola, la anguila hacha raspa físicamente la viscosidad de su piel, limpiando su único orificio nasal y sus aberturas branquiales.

Este enredo también es su herramienta principal para alimentarse. Dado que carecen de mandíbulas, las anguilas hacha no tienen forma de morder trozos de carne de los cadáveres que escarban. En su lugar, usan un par de placas horizontales, de forma de peine, hechas de queratina para aferrar la carne. Una vez ancladas, atan un nudo en su cola y la deslizan hacia adelante contra el lado de la presa, creando un punto de apoyo que les permite arrancar y desgarrar trozos de músculo. A menudo, entrarán en el cadáver a través de un orificio existente o raspando un agujero, eviscerando al animal desde el interior hasta que solo quede un esqueleto de "ballena caída" y una bolsa de piel en el fondo del océano.

Lo que aún no sabemos

No sabemos cómo se reproducen las anguilas hacha en la naturaleza. A pesar de su abundancia en el océano profundo, nadie ha presenciado jamás su apareamiento o puesta en su hábitat natural. En cautividad, raramente producen embriones, y los pocos huevos con yema, terminados en velcro, que han sido estudiados ofrecen solo una visión parcial de su desarrollo, que salta directamente la etapa larvaria.

No comprendemos del todo la historia evolutiva de sus ojos. Aunque las anguilas hacha modernas poseen solo simples ocelos capaces de detectar la luz, fósiles del Carboniferous period sugieren que sus antepasados podrían haber tenido ojos más complejos con lentes. Si perdieron la vista como adaptación a las profundidades oscuras y arenosas, o si representan una rama más primitiva del árbol visual, sigue siendo un tema de intensa discusión entre los morfólogos.

Y aún no hemos dominado la síntesis de su viscosidad. Aunque los hilos de intermediate filament pueden producirse recombinantemente en E. coli, el proceso exacto mediante el cual la anguila hacha empaqueta estos hilos en sistemas de despliegue tan compactos y de alta velocidad sigue siendo más allá de nuestro ingenio actual. Estamos ante una solución de 300 millones de años a un problema de ciencia de materiales que apenas comenzamos a definir.

La anguila hacha es un recordatorio de que en el océano profundo, la arma más efectiva no es un diente o una garra, sino la capacidad de convertir el propio entorno contra un intruso.

في عصر يوم من شهر يوليو عام 2017، أُزيلت إحدى الطرق السريعة في أوريغون بسبب ثلاث طن من العجين الأبيض الاختناق. سبب التسرب شاحنة تحمل حيوانات هاجف باسيفيك، وأظهر للعامة ما عرفه علماء الأحياء البحريون منذ عقود: هذا الجَرَّادُ القديمُ العديمُ الفكينَ مُحَدِّثٌ مَوْهوبٌ في تَحْرِيضٍ بيولوجيٍّ يَتَجاوزُ قوانينَ الديناميكا الهوائية.

في 13 يوليو 2017، انحرفت شاحنة مسطحة على طريق أوريغون 101، مما أدى إلى سقوط ثلاثة عشر حاوية تحمل حمولة حية على الأسفلت. كانت الحمولة تزن 7500 رطلاً من Pacific hagfish، متجهةً للتصدير إلى كوريا الجنوبية. وفي ثوانٍ قليلة، غطّت الطرقة وسائقة قريبة طبقة من المزيج الشفاف اللزج. سببها الأسماك التي أثارت تأثيرها الدفاعي الأساسي بسبب الضغط الناتج عن الحادث. قضا المُطفئون بعد الظهر ينظفون مادة تبدو وكأنها تزداد حتى أثناء غسلها.

هذا هو عالم Myxini، نوع من الأسماك الخالية من الفكين استمرت دون تغيير تقريبًا منذ Carboniferous period، أي منذ نحو 310 ملايين سنة. وغالبًا ما تُسمى "الديدان المخترقة"، لكنها ليست ديدانًا من الأساس. إنها جسر تطور، وهي الكائنات الحية الوحيدة التي تمتلك عظامًا للجمجمة دون العمود الفقري، على الرغم من أنها تحتفظ بعظام فقريّة بدائية في ذيلها. أجسادها وردية اللون، تشبه الديدان، وغطاء الجلد يناسبها بحرية مثل الجوارب المترهلة. إنها أعمى، تبحث في قاع البحر العميق عن الجثث بالرائحة واللمس، لكنها تمتلك أسلحة دفاعية فعّالة إلى حد أن حتى أكثر أنواع الأخطبوطات عدوانية ستتغوط وتعود إلى الخلف بعد لدغة واحدة.

انتشار المادة

حول جسم ديدان المخترقة توجد حوالي مائة slime glands. عندما يهاجم المفترس، تطلق هذه الغدد حجمًا صغيرًا من العصارة الحليبية—لا يزيد عن ملعقة صغيرة—تتكون من مكونين: mucin وintermediate filament. وفي أقل من 0.4 ثانية، يتفاعل هذا المزيج مع مياه البحر ليتمدد 10000 مرة من حجمه الأصلي. النتيجة ليست مجرد هلام، بل شبكة معقدة ذات خواص لزجة مرنة تلتصق بالماء وتحوله إلى عجينة كثيفة تسد التنفس. يمكن لدودة المخترقة أن تحوّل دلوًا سعته 20 لترًا من الماء إلى كتلة صلبة من الغراء في زمن لا يتجاوز نظرتك.

السر يكمن في الخيوط. تحتوي كل غدة على آلاف "الكرات"، وهي كرات بروتينية ملتفة بإحكام وطولها 100 ميكرومتر. عندما تلامس هذه الكرات الماء، تذوب المادة اللاصقة التي تربطها، وتتفرق الخيوط—التي تبلغ أطوالها حوالي 10 سنتيمترات—بسرعة هائلة. تصنع هذه الخيوط من ألفا-كيراتين، مشابه البروتينات الموجودة في شعر الإنسان والأظافر، لكنها تتميز بقوة الشد وقدرة امتصاص الطاقة تشبه قوة حرير العنكبوت. وقد وجد الباحثون في University of Guelph أن هذه الخيوط يمكن أن تُمدد إلى عدة أضعاف من طولها الأصلي دون كسر، مما يجعلها مرشحة قوية لتطوير ألياف عالية الأداء ومستدامة.

العقد المتنقل

العيش في سحابة ذاتية التوليد من الغراء الاختناقي يطرح مشكلة: يجب أن تتنفس دودة المخترقة. لكي تنجو من دفاعها الخاص، تطورت هذه الكائنات سلوكًا فريدًا يُعرف بـ travelling knot. عن طريق ربط جسمها في عقدة متدلية وتحريك العقدة من الرأس إلى الذيل، تفرش دودة المخترقة الغراء من جلدها، وتزيل أنفها الوحيد وفتحات التنفس.

هذا الربط هو أيضًا أداة تغذية رئيسية لها. نظرًا لغياب الفكين، ليس لديها وسيلة لقطع قطع اللحم من الجثث التي تبحث عنها. بدلًا من ذلك، تستخدم زوجًا من الصفائح المسطحة المصنوعة من الكيراتين والتحرك أفقيًا لالتقاط اللحم. بمجرد أن تثبت نفسها، تربط ذيلها في عقدة وتحركه إلى الأمام على جانب الفريسة، مما يخلق نقطة دعم تسمح لها بسحب وتمزيق أجزاء من العضلات. في كثير من الأحيان، تدخل الجثة من فتحة موجودة مسبقًا أو عن طريق حفر ثقب، وتفترس الكائن من الداخل حتى يبقى فقط هيكل العظام "الحيتان الميتة" وحقيبة الجلد على قاع المحيط.

ما لا نزال لا نعرفه

لا نعرف كيف تُنتج دودة المخترقة صغارها في البرية. وعلى الرغم من انتشارها في أعماق البحر، لم ير أحد قط عملية تزاوجها أو وضع البيض في بيئتها الطبيعية. وفي الأسر، تنتج نسخًا نادرة من الأجنة، والبيض القليل المغطى بزغابات والملتصق بحوافه، الذي تم دراسته، لا يعطي سوى نظرة عامة على تطورها، الذي يتجاوز مرحلة اليراع تمامًا.

لا نفهم تمامًا تاريخ تطور عينيها. في الوقت الذي تمتلك فيه دودة المخترقة الحديثة فقط عينين بسيطتين قادرتين على اكتشاف الضوء، تشير الأحافير من Carboniferous period إلى أن أسلافها ربما كانت تمتلك عيونًا أكثر تعقيدًا مزودة بعدسات. ما إذا كانت فقدت بصرها كتكيف مع العمق المظلم والرمال، أو إذا كانت تمثل فرعًا أقدم في شجرة الرؤية، ما زال موضوع جدل حاد بين علماء التشريح.

ولم نتمكن بعد من توليد غرائها اصطناعيًا. في حين يمكن إنتاج خيوط intermediate filament بشكل تجديدي في E. coli، فإن العملية الدقيقة التي تستخدمها دودة المخترقة لتعبئة هذه الخيوط في أنظمة توزيع مدمجة وسريعة التفريغ ما زالت خارج نطاق هندستنا الحالية. نحن ننظر إلى حل يبلغ عمره 300 مليون سنة لمشكلة في علم المواد نبدأ فقط في تعريفها.

دودة المخترقة تذكرنا بأن في أعماق المحيط، السلاح الأكثر فعالية ليس أسنانًا أو مخالب، بل القدرة على تحويل البيئة نفسها ضد المعتدي.

Pada suatu siang di bulan Juli 2017, sebuah jalan raya di Oregon lenyap tertutup tiga ton belerang putih, lendir mengganggu pernapasan. Tumpahan tersebut, yang disebabkan oleh truk pengangkut hagfish Pasifik, mengungkapkan kepada publik apa yang telah diketahui para ahli biologi kelautan selama puluhan tahun: makhluk penebus tanpa rahang ini adalah ahli dalam bentuk penghalang biologis yang menantang hukum dinamika fluida.

Pada 13 Juli 2017, sebuah truk datar berbelok di Jalan Raya Oregon 101, membuang tiga belas wadah kargo hidup ke aspal. Kargo tersebut adalah 7.500 pon Pacific hagfish, yang akan diekspor ke Korea Selatan. Dalam hitungan detik, jalan raya dan sebuah sedan di dekatnya tertimbun oleh badai lendir transparan yang kental. Ikan-ikan tersebut, yang tertekan oleh benturan, telah memicu mekanisme pertahanan utama mereka. Petugas pemadam kebakaran menghabiskan siang hari menggunakan traktor salju dan selang bertekanan tinggi untuk membersihkan bahan yang tampaknya terus tumbuh meskipun telah dicuci.

Inilah dunia dari Myxini, kelas ikan tanpa rahang yang telah bertahan hampir tidak berubah sejak Carboniferous period, sekitar 310 juta tahun yang lalu. Sering disebut sebagai 'eel berlendir', hagfish bukanlah ikan eel sama sekali. Mereka adalah jembatan evolusi, satu-satunya hewan hidup yang memiliki tengkorak tetapi tidak memiliki sumsum tulang belakang, meskipun mereka masih memiliki vertebra primitif di ekor mereka. Tubuh mereka berwarna merah muda, mirip cacing, dan diselimuti kulit yang longgar seperti kaus kaki yang kendur. Mereka buta, mencari makanan di dasar laut dalam dengan bau dan raba, tetapi mereka memiliki senjata pertahanan yang begitu efektif hingga bahkan hiu yang paling agresif sekalipun akan muntah dan mundur setelah sekali gigitan.

Perluasan materi

Di sekitar tubuh hagfish terdapat sekitar seratus slime glands. Ketika predator menyerang, kelenjar-kelenjar ini mengeluarkan volume kecil lendir putih—hanya sekitar satu sendok teh—yang terdiri dari dua komponen: mucin dan benang-benang intermediate filament. Dalam kurang dari 0,4 detik, campuran ini bereaksi dengan air laut dan membesar 10.000 kali dari volumenya. Hasilnya bukanlah gel sederhana, tetapi jaring viskoelastis yang kompleks yang menangkap air dan mengubahnya menjadi campuran yang mengganggu pernapasan. Seekor hagfish dapat mengubah ember air 20 liter menjadi massa lendir padat dalam waktu yang dibutuhkan untuk mengedip.

Rahasia terletak pada benang-benang tersebut. Setiap kelenjar mengandung ribuan 'benang', bola protein yang terpilin rapat dengan panjang hanya 100 mikrometer. Ketika mereka mengenai air, lem yang mengikat benang-benang ini larut, dan benang-benang—sepanjang sepuluh sentimeter—terurai dengan kecepatan yang meledak. Benang-benang ini terbuat dari alfa-keratin, mirip dengan protein di rambut dan kuku manusia, tetapi dengan kekuatan tarik dan kapasitas menyerap energi yang menandingi sutra laba-laba. Para peneliti di University of Guelph menemukan bahwa filamen ini dapat diregangkan hingga beberapa kali panjang aslinya tanpa putus, menjadikannya kandidat utama untuk pengembangan serat-serat berkinerja tinggi yang berkelanjutan.

Ikatan yang bergerak

Hidup dalam awan lendir yang mematikan yang dihasilkan sendiri menimbulkan masalah: hagfish harus bernapas. Untuk bertahan hidup dari pertahanan mereka sendiri, hewan ini telah berevolusi untuk memiliki perilaku unik yang dikenal sebagai travelling knot. Dengan mengikat tubuhnya sendiri menjadi simpul overhand dan menggeser simpul tersebut dari kepala ke ekor, hagfish secara fisik menggosok lendir dari kulitnya, membersihkan satu lubang hidung dan pembukaan insangnya.

Simpul ini juga merupakan alat utama mereka untuk makan. Karena mereka tidak memiliki rahang, hagfish tidak memiliki cara untuk menggigit potongan daging dari bangkai yang mereka cari makan. Sebaliknya, mereka menggunakan sepasang plat keratin berbentuk sisir yang bergerak secara horizontal untuk menggenggam daging. Setelah terpasang, mereka mengikat simpul di ekornya dan menggesernya maju ke sisi mangsa, menciptakan titik tumpu yang memungkinkan mereka menarik dan merobek potongan otot. Sering kali, mereka akan memasuki bangkai melalui lubang yang sudah ada atau dengan menggerus lubang, mengeluarkan isi tubuh mangsa dari dalam hingga hanya tersisa kerangka 'whale-fall' dan kantung kulit di dasar laut.

Apa yang kita masih tidak tahu

Kita tidak tahu bagaimana hagfish berkembang biak di alam liar. Meskipun mereka melimpah di laut dalam, belum pernah ada yang menyaksikan peristiwa kawin atau peneluran mereka di habitat alami mereka. Di penangkaran, mereka jarang menghasilkan embrio, dan sedikit telur berisi kuning telur dengan ujung Velcro yang telah diteliti hanya memberikan sedikit gambaran tentang perkembangannya, yang sepenuhnya melewatkan tahap larva.

Kita juga belum memahami secara penuh sejarah evolusi matanya. Meskipun hagfish modern hanya memiliki mata sederhana yang mampu mendeteksi cahaya, fosil dari Carboniferous period menunjukkan nenek moyang mereka mungkin memiliki mata yang lebih kompleks dengan lensa. Apakah mereka kehilangan penglihatan mereka sebagai adaptasi terhadap kedalaman gelap dan berlumpur, atau apakah mereka mewakili cabang yang lebih primitif dalam pohon evolusi visual, tetap menjadi subjek debat sengit di kalangan morfolog.

Dan kita belum mampu mensintesis lendir mereka. Meskipun benang-benang intermediate filament dapat diproduksi secara rekombinan di E. coli, proses pasti di mana hagfish membungkus benang-benang ini ke dalam sistem penyebaran kompak dan berkecepatan tinggi tetap di luar kemampuan teknik kita saat ini. Kita sedang melihat solusi berusia 300 juta tahun terhadap masalah ilmu material yang baru saja mulai kita definisikan.

Hagfish mengingatkan kita bahwa di lautan dalam, senjata paling efektif bukanlah gigi atau cakar, tetapi kemampuan untuk membalikkan lingkungan itu sendiri melawan pelaku intrusi.

Un après-midi de juillet 2017, une route d'Oregon fut effacée par trois tonnes de glaire blanche, asphyxiante. L'épandage, causé par un camion transportant des hagfish du Pacifique, révéla au public ce que les biologistes marins savaient depuis des décennies : ce voleur d'origine ancienne, dépourvu de mâchoires, est le maître d'un détergent biologique qui défie les lois de la dynamique des fluides.

Le 13 juillet 2017, un camion à plateau a dévié sur l'autoroute 101 de l'Oregon, renversant treize conteneurs de marchandises vivantes sur l'asphalte. La cargaison était de 3 400 kilogrammes de Pacific hagfish, destinés à l'exportation vers la Corée du Sud. En quelques secondes, la route et une voiture proche furent ensevelis sous un déluge de matière translucide et visqueuse. Les poissons, stressés par l'impact, avaient déclenché leur mécanisme de défense principal. Les pompiers passèrent l'après-midi à utiliser des chasse-neige et des buses à haute pression pour éliminer une substance qui semblait croître même alors qu'elle était rincée.

C'est le monde de la Myxini, une classe de poissons sans mâchoires qui ont persisté presque inchangés depuis le Carboniferous period, il y a environ 310 millions d'années. Souvent appelés « anguilles gluantes », les myxines ne sont pas des anguilles du tout. Elles constituent un pont évolutif, les seuls animaux vivants possédant un crâne mais pas de colonne vertébrale, bien qu'elles conservent des vertèbres rudimentaires dans leur queue. Leur corps est rose, ressemblant à un ver, et enveloppé d'une peau aussi lâche qu'un chausson délavé. Aveugles, elles déambulent sur le fond marin profond en cherchant des cadavres par l'odorat et le toucher, mais elles possèdent une arme de défense si efficace que même les requins les plus agressifs vomiront et fuiront après une seule morsure.

L'expansion de la matière

Autour du corps de la myxine se trouvent environ cent slime glands. Quand un prédateur attaque, ces glandes expulsent un volume minime d'exsudat laiteux — à peine la contenance d'une cuillère à café — composé de deux éléments : mucin et des intermediate filament filaments. En moins de 0,4 seconde, ce mélange réagit avec l'eau de mer et s'étend 10 000 fois son volume initial. Le résultat n'est pas un gel simple, mais un réseau complexe, viscoélastique, qui piège l'eau et la transforme en une bouillie étouffante. Une seule myxine peut transformer un seau de vingt litres d'eau en une masse solide de bave en moins de temps qu'il n'en faut pour cligner des yeux.

Le secret réside dans les filaments. Chaque glande contient des milliers de « pelotes », des boules de protéines enroulées très serrées, longues d'à peine 100 micromètres. Dès qu'elles entrent en contact avec l'eau, la colle qui les maintient ensemble se dissout, et les fils — certains mesurant dix centimètres — se déroulent à une vitesse explosive. Ces fils sont composés d'alpha-kératine, similaire aux protéines des cheveux et des ongles humains, mais avec une résistance à la traction et une capacité d'absorption d'énergie rivales de celle du fil d'araignée. Des chercheurs de l'University of Guelph ont découvert que ces filaments peuvent être étirés plusieurs fois leur longueur initiale sans se rompre, les rendant des candidats idéaux pour le développement de nouvelles fibres performantes et durables.

Le nœud voyageur

Vivre dans un nuage de bave étouffante qu'elle produit elle-même pose un problème : la myxine doit respirer. Pour survivre à sa propre défense, l'animal a évolué un comportement unique connu sous le nom de travelling knot. En nouant son propre corps en un nœud de chaise et en glissant la boucle de la tête à la queue, la myxine se gratte physiquement la bave de sa peau, dégagent son seul nez et ses ouvertures branchiales.

Ce nœud est aussi leur outil principal pour se nourrir. Comme elles n'ont pas de mâchoires, les myxines n'ont aucun moyen de mordre des morceaux de viande sur les cadavres qu'elles dévorent. Elles utilisent plutôt une paire de plaques horizontalement mobiles, en forme de peigne, composées de kératine, pour saisir la chair. Une fois ancrées, elles nouent un nœud dans leur queue et la glissent en avant contre le côté de la proie, créant un point d'appui qui leur permet de tirer et d'arracher des morceaux de muscle. Souvent, elles s'introduisent dans le cadavre par un orifice existant ou en rasant un trou, vidant l'animal de l'intérieur jusqu'à ce qu'il ne reste plus qu'un squelette de « baleine morte » et un sac de peau sur le fond océanique.

Ce que nous ne savons toujours pas

Nous ne savons pas comment les myxines se reproduisent dans la nature. Malgré leur abondance dans les profondeurs marines, personne n'a jamais observé leur accouplement ou leur ponte dans leur habitat naturel. En captivité, elles produisent rarement des embryons, et les rares œufs, dotés de crochets ressemblant à du Velcro, qui ont été étudiés n'offrent qu'un aperçu de leur développement, qui saute entièrement l'étape larvaire.

Nous ne comprenons pas pleinement l'histoire évolutive de leurs yeux. Bien que les myxines modernes ne possèdent que des taches oculaires simples capables de détecter la lumière, des fossiles du Carboniferous period suggèrent que leurs ancêtres pouvaient avoir eu des yeux plus complexes, dotés de lentilles. Il reste un sujet de débat intense parmi les morphologistes de savoir si elles ont perdu la vue comme adaptation aux profondeurs sombres et sableuses, ou si elles représentent une branche plus primitive de l'arbre visuel.

Et nous n'avons toujours pas maîtrisé la synthèse de leur bave. Bien que les fils de intermediate filament puissent être produits de manière recombinante dans des E. coli, le processus exact par lequel la myxine empaquette ces fils dans des systèmes de déploiement aussi compacts et rapides reste au-delà de nos capacités d'ingénierie actuelles. Nous observons une solution vieille de 300 millions d'années à un problème de science des matériaux que nous ne commençons à peine à définir.

La myxine nous rappelle que dans les profondeurs océaniques, l'arme la plus efficace n'est pas une dent ou une griffe, mais la capacité de transformer l'environnement lui-même contre l'intrus.

An einem Juli-Tag im Jahr 2017 wurde eine Straße in Oregon von drei Tonnen weißer, ersticken Schleim ausgelöscht. Der Austritt, verursacht durch ein Fahrzeug, das Hagfische aus dem pazifischen Raum transportierte, enthüllte dem Publikum, was Meeresbiologen seit Jahrzehnten wissen: Dieser urtümliche, kieferlose Nahrungssammler ist Meister eines biologischen Abwehrmechanismus, der die Physik der Strömungsmechanik verneint.

Am 13. Juli 2017 lenkte ein Lkw auf der Oregon State Highway 101 aus, wodurch dreizehn Fässer mit lebenden Tieren auf die Asphaltstraße geschleudert wurden. Der Inhalt betrug 3400 Kilogramm an Pacific hagfish, die nach Südkorea exportiert werden sollten. Innerhalb weniger Sekunden war die Straße und ein nahestehendes Auto unter einer Flut durchsichtiger, zäher Masse begraben. Die Fische, gestresst durch den Aufprall, hatten ihr primäres Verteidigungsmechanismus ausgelöst. Brandingemeinschaften verbrachten den Nachmittag damit, Schneepflüge und Hochdruckreiniger einzusetzen, um eine Substanz zu entfernen, die sich scheinbar vermehrte, während sie weggespült wurde.

Dies ist die Welt der Myxini, einer Klasse von kieferlosen Fischen, die sich seit dem Carboniferous period, vor etwa 310 Millionen Jahren, fast unverändert erhalten hat. Oft als „Schleimwürmer“ bezeichnet, sind sie gar keine Würmer. Sie bilden eine evolutionäre Brücke, die einzigen lebenden Tiere mit Schädel, aber ohne Wirbelsäule, obwohl sie rudimentäre Wirbel in ihren Schwänzen behalten. Ihre Körper sind rosa, wurmähnlich und von locker sitzender Haut umgeben, ähnlich wie ein durchhängendes Sockenpaar. Sie sind blind und jagen auf dem Meeresboden nach Kadavern, wobei sie Geruch und Tastsinn nutzen, doch sie verfügen über eine Verteidigungswaffe, so effektiv, dass selbst die aggressivsten Haie nach einem Biss würgen und flüchten.

Die Expansion der Materie

Um den Körper des Schleimwurms befinden sich etwa hundert slime glands. Wenn ein Raubtier zuschlägt, schießen diese Drüsen eine kleine Menge milchigen Sekrets aus – kaum so viel wie ein Teelöffel – bestehend aus zwei Komponenten: mucin und intermediate filament Fäden. Innerhalb von weniger als 0,4 Sekunden reagiert dieses Gemisch mit dem Meerwasser und expandiert auf das 10.000-fache seines Volumens. Das Ergebnis ist nicht nur ein einfacher Gelee, sondern ein komplexes, viskoelastisches Netz, das Wasser einfängt und in einen erstickenden Brei verwandelt. Ein einziger Schleimwurm kann in der Zeit, die ein Auge benötigt, um zu blinzeln, einen 20-Liter-Eimer Wasser in eine feste Masse aus Schleim verwandeln.

Das Geheimnis liegt in den Fäden. Jede Drüse enthält Tausende von „Spulen“, eng zusammengerollte Proteinkugeln von gerade mal 100 Mikrometern Länge. Sobald sie ins Wasser gelangen, löst sich das Klebstoff, das die Spulen zusammenhält, und die Fäden – manche zehn Zentimeter lang – entrollen sich explosionsartig. Diese Fäden bestehen aus Alpha-Keratin, ähnlich wie die Proteine in menschlichen Haaren und Nägeln, jedoch mit einer Zugfestigkeit und Energieabsorptionskapazität, die der Spinngarnwirkung konkurrieren kann. Forscher am University of Guelph haben herausgefunden, dass diese Fäden sich auf mehrere Male ihre ursprüngliche Länge dehnen lassen, ohne zu reißen, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Hochleistungsfasern macht.

Der reisende Knoten

Im eigenen Schleimwolke zu leben, stellt ein Problem dar: Der Schleimwurm muss atmen. Um sein eigenes Verteidigungssystem zu überleben, hat sich das Tier einzigartiges Verhalten entwickelt, das als travelling knot bekannt ist. Indem es seinen eigenen Körper in einen Überhandknoten verheddert und diesen von Kopf bis Schwanz schiebt, schabt sich der Schleimwurm physisch den Schleim von der Haut, wodurch sein einziges Nasenloch und die Kiemenöffnungen freigelegt werden.

Dieses Knotenbinden ist auch ihr primäres Werkzeug zum Fressen. Da sie keine Kiefer besitzen, haben sie keine Möglichkeit, Fleischstücke von den Kadavern zu beißen, die sie plündern. Stattdessen nutzen sie zwei horizontal bewegliche, kämmchenförmige Platten aus Keratin, um das Fleisch zu greifen. Sobald sie festgehalten haben, binden sie einen Knoten in ihren Schwanz und schieben ihn vorwärts an der Beute entlang, wodurch ein Hebel entsteht, der es ihnen ermöglicht, Muskelstücke herauszureißen. Oft dringen sie durch ein bereits vorhandenes Loch oder durch Reiben eines Lochs in das Kadaver ein und entleeren das Tier von innen nach außen, bis am Meeresboden nur noch ein „Walskelett“ und ein Hautbeutel übrig bleiben.

Was wir immer noch nicht wissen

Wir wissen nicht, wie Schleimwürmer sich in der Wildnis fortpflanzen. Trotz ihrer Fülle in der Tiefsee hat noch niemand ihr Paarungs- oder Eiablageverhalten in ihrem natürlichen Habitat beobachtet. In Gefangenschaft produzieren sie selten Embryonen, und die wenigen eiförmigen, mit Velcro-artigen Enden versehenen Eier, die untersucht wurden, liefern nur einen kurzen Einblick in ihre Entwicklung, die den Larvenstadium vollständig überspringt.

Wir verstehen nicht vollständig die evolutionäre Geschichte ihrer Augen. Während moderne Schleimwürmer nur einfache Augenflecken besitzen, die Licht wahrnehmen können, deuten Fossilien aus dem Carboniferous period darauf hin, dass ihre Vorfahren komplexere, linsenartige Augen gehabt haben könnten. Ob sie ihr Sehvermögen als Anpassung an die dunklen, schlickigen Tiefen verloren haben oder ob sie eine primitivere Verzweigung im visuellen Baum darstellen, bleibt ein intensiv diskutiertes Thema unter Morphologen.

Und wir haben noch nicht die Synthese ihres Schleims gemeistert. Während die intermediate filament Fäden rekombinant in E. coli produziert werden können, bleibt der genaue Prozess, mit dem der Schleimwurm diese Fäden in solch kompakte, hochgeschwindige Abgabesysteme verpackt, jenseits unserer aktuellen Ingenieurskunst. Wir sehen uns eine 300-Millionen-Jahre-alte Lösung für ein Materialwissenschaftsproblem gegenüber, das wir erst anfangen zu definieren.

Der Schleimwurm ist eine Erinnerung daran, dass im tiefen Ozean die wirksamste Waffe nicht ein Zahn oder ein Klaue ist, sondern die Fähigkeit, die Umgebung selbst gegen einen Eindringling zu wenden.

2017년 7월의 오후, 오리건 주의 고속도로는 하얗고 질긴 점액 3톤에 의해 사라졌다. 이 사고는 태평양 흰가자고기를 싣고 있던 트럭에서 발생했으며, 이로 인해 대중에게 해양 생물학자들이 수십 년 전부터 알고 있던 사실이 드러났다. 이 고대적이고 턱이 없는 먹이 모이는 생물은 유체 역학의 물리 법칙을 무릅쓰는 생물학적 방어 기술의 대가이다.

2017년 7월 13일, 오리건 주 101번 고속도로를 달리던 플랫베드 트럭이 쏠리면서 열세 개의 생물 박스를 아스팔트 위로 던져버렸다. 이 박스 안에는 한국으로 수출하려던 3,400킬로그램의 Pacific hagfish이 담겨 있었다. 몇 초 만에 도로와 가까이에 주차된 승용차는 투명하고 점성 있는 점액의 폭풍 속에 매몰되었다. 충격을 받은 어류들은 자신의 주요 방어 기작을 작동시켰다. 소방관들은 오후 내내 눈덩이 치우는 장치와 고압 호스를 사용해 씻어내려 해도 계속 늘어나는 듯한 물질을 제거하려 애썼다.

이것이 바로 Myxini의 세계이다. 이 물고기는 Carboniferous period 시대, 약 3억 1,000만 년 전부터 거의 변함없이 존재해 온 무颔어류의 일종이다. 종종 '점액 앵무'라고 불리는 이 물고기는 앵무가 아니며, 진화의 다리 역할을 하는 유일한 생물이다. 이들은 척추 없이 뼈만 있는 유일한 생물이지만, 꼬리에는 원시적인 척추를 유지하고 있다. 그들의 몸은 분홍색이고, 벌레처럼 생겼으며, 느슨한 양말처럼 피부가 느슨하게 감겨 있다. 이들은 눈이 없으며, 냄새와 만지감으로 깊은 바다 바닥의 썩은 고기만 먹지만, 그들의 방어 무기는 그렇게 효과적이라서 가장 공격적인 상어조차 한 입만 먹어도 씹지 못하고 물러선다.

물질의 확장

해구치 주변에는 약 백 개의 slime glands이 있다. 포식자가 공격할 때, 이 땀샘은 약간의 투명한 분비물을 방출한다. 이 분비물은 단지 한 숟가락 분량에 불과하지만, 두 가지 성분으로 구성되어 있다. mucin와 intermediate filament 실이다. 0.4초도 지나지 않아 이 혼합물은 해수와 반응하여 부피가 1만 배로 확장된다. 결과물은 단순한 젤이 아니라, 복잡하고 점탄성 있는 메시 구조로, 물을 포착하여 질식시키는 슬러리로 바꾼다. 단 한 마리의 해구치가 깜박하는 것보다 더 빠르게 20리터의 물을 점액 덩어리로 만든다.

비결은 실에 있다. 각 땀샘에는 수천 개의 '스케인'이 담겨 있는데, 이는 단지 100마이크로미터 길이의 단단히 꼬인 단백질 구슬이다. 물에 닿자 이 접착제는 녹아내리고, 약 10센티미터 길이의 실이 폭발적인 속도로 풀어진다. 이 실은 인간의 머리카락과 손톱에 있는 알파-케라틴과 유사하지만, 강도와 에너지 흡수 능력이 거미 실과 견줄 만하다. University of Guelph의 연구자들은 이 실이 원래 길이의 수 배까지 늘어나도 끊어지지 않는다는 것을 발견했으며, 이는 새로운 고성능 섬유 개발에 있어 중요한 후보가 될 수 있다.

이동하는 매듭

자신이 만든 질식시키는 점액 구름 속에서 생존하려면 숨을 쉬어야 한다. 자신의 방어 기작을 극복하기 위해 이 동물은 travelling knot이라는 독특한 행동을 진화시켰다. 머리에서 꼬리까지 루프를 이동시키며 머리카락처럼 매듭을 지어 몸을 문질러 점액을 제거하고, 단 하나의 코와 기공을 열어준다.

이 매듭은 또한 먹이를 얻는 주요 도구이기도 하다. 이들은 이빨이 없기 때문에 먹이를 뜯어먹을 수 없다. 대신, 흑연처럼 움직이는 코르크 모양의 키틴 판을 사용해 살을 잡는다. 고정되면 꼬리에 매듭을 지어 먹잇감 옆으로 미끄러지며 지렛대를 만든다. 이 지렛대를 이용해 근육을 뜯어내는 것이다. 종종 기존의 구멍을 통해 또는 구멍을 긁어내며 먹잇감 안으로 들어가, 내장을 빼내어 바닥에 '고래 시체'처럼 뼈와 피부만 남긴다.

여전히 알지 못하는 것들

해구치가 야생에서 어떻게 번식하는지 우리는 모른다. 깊은 바다에서 흔하긴 하지만, 이들의 교미나 알 낳는 모습을 자연 상태에서 본 사람은 아무도 없다. 사육 상태에서는 거의 배아를 생산하지 않으며, 연구된 드문 드문 풍부한 노른자와 벨크로처럼 생긴 알은 그들의 발달 과정을 보여주는 단서에 지나지 않는데, 이 과정은 유충 단계를 건너뛴다.

이들의 눈의 진화적 역사를 우리는 완전히 이해하지 못하고 있다. 현대 해구치는 단순한 눈 점으로 빛을 감지할 수 있을 뿐이지만, Carboniferous period의 화석들은 조상들이 더 복잡한 렌즈를 가진 눈을 가졌을 가능성을 시사한다. 이들이 어두운 진흙 바닥에 적응하면서 시력을 잃었는지, 아니면 시각 진화의 더 원시적인 가지를 대표하는지에 대해서는 형태학자들 사이에서 여전히 격렬한 논쟁이 계속되고 있다.

또한, 이들의 점액을 완벽하게 합성하는 법을 우리는 아직 배우지 못했다. intermediate filament 실은 E. coli에서 재조합적으로 생산할 수 있지만, 해구치가 이러한 실을 어떻게 이렇게 컴팩트하고 고속으로 배치하는 시스템을 만들었는지는 여전히 우리의 공학 기술을 넘어서는 영역이다. 우리는 단지 3억 년 전의 문제에 대한 해결책을 이제 막 정의하려는 단계에 있다.

해구치는 깊은 바다에서 가장 효과적인 무기는 이빨이나 발톱이 아니라, 침입자를 위해 환경 자체를 무기로 전환하는 능력이라는 것을 상기시켜 준다.

В июльский день 2017 года трасса в Орегоне исчезла под тремя тоннами белой, задушающей жижи. Разлив, вызванный грузовиком с таракатами, раскрыл общественности то, что морские биологи знали десятилетиями: этот древний, безчелюстной санитар – мастер биологического отпугивателя, нарушающего законы физики динамики жидкости.

13 июля 2017 года на шоссе 101 в Орегоне грузовик съехал с дороги, выбросив тринадцать контейнеров живого груза на асфальт. Грузом были 3400 килограммов Pacific hagfish, которые должны были экспортироваться в Южную Корею. В течение нескольких секунд дорога и стоявшая рядом машина были погребены под потоком прозрачной, вязкой слизи. Рыбы, испуганные ударом, активировали свою основную защитную систему. Пожарные провели весь день, используя снегоуборочные машины и шланги высокого давления, чтобы очистить вещество, которое, казалось, увеличивалось, даже когда его смывали.

Это мир Myxini, класс бесчелюстных рыб, которые почти не изменились с Carboniferous period, около 310 миллионов лет назад. Их часто называют «слизистыми угрями», но это не урги вовсе. Они являются эволюционным мостом, единственными живыми существами, обладающими черепом, но не позвоночником, хотя у них сохраняются примитивные позвонки на хвосте. Их тела розовые, червеподобные, покрытые кожей, которая прилегает к телу так же свободно, как старая носок. Они слепые, ищут на дне глубокого моря трупы по запаху и прикосновению, но обладают защитным оружием, настолько эффективным, что даже самые агрессивные акулы задохнутся и отступят после одного укуса.

Расширение вещества

Вокруг тела угря-кокона находится около сотни slime glands. Когда хищник атакует, эти железы выбрасывают небольшое количество молочного экссудата — не более чайной ложки, состоящего из двух компонентов: mucin и intermediate filament нитей. За менее чем 0,4 секунды эта смесь реагирует с морской водой и расширяется в 10 000 раз по объему. Результат — не простой гель, а сложная вязкоупругая сеть, которая удерживает воду и превращает ее в удушающий сгусток. Один угорь-кокон может превратить двадцатилитровое ведро воды в твердую массу слизи за время, необходимое для моргания.

Секрет заключается в нитях. Каждая железа содержит тысячи «мотков», плотно свернутых белковых шариков длиной всего 100 микрометров. Когда они попадают в воду, клей, удерживающий мотки вместе, растворяется, и нити — длиной около десяти сантиметров — распускаются с взрывной скоростью. Эти нити состоят из альфа-кератина, похожего на белки в человеческих волосах и ногтях, но с прочностью и способностью поглощать энергию, сопоставимой с паутиной. Исследователи из University of Guelph обнаружили, что эти нити можно растягивать в несколько раз больше их первоначальной длины, не ломая их, что делает их перспективным кандидатом для создания новых, экологически устойчивых высокопрочных волокон.

Передвижение узлом

Жизнь в самообразованном облаке удушающей слизи вызывает проблему: угрю-кокону нужно дышать. Чтобы выжить в собственной защите, животное эволюционировало уникальное поведение, известное как travelling knot. Завязывая собственное тело в узел и передвигая петлю от головы к хвосту, угорь-кокон механически соскабливает слизь с кожи, очищая свой единственный носовой отверстие и жаберные щели.

Это завязывание узла также является их основным инструментом для кормления. Поскольку у них нет челюстей, угрям-коконам невозможно откусить кусочки мяса от трупов, которые они собирают. Вместо этого они используют пару горизонтально движущихся, щетинковидных пластин из кератина, чтобы захватить мясо. Закрепившись, они завязывают узел на хвосте и продвигают его вперед по стороне жертвы, создавая точку опоры, которая позволяет им вырывать куски мышечной ткани. Часто они проникают в труп через существующее отверстие или выгрызают дыру, вычищая животное изнутри, пока на дне океана остается только скелет «падающей китовой тушки» и мешок кожи.

То, что мы все еще не знаем

Мы не знаем, как угрю-кокону размножаются в дикой природе. Несмотря на их изобилие в глубоком море, никто никогда не наблюдал их спаривание или откладывание яиц в естественной среде. В неволе они редко производят зародыши, и изученные до сих пор несколько желточных, заостренных яиц дают лишь отрывочный взгляд на их развитие, которое полностью пропускает стадию личинки.

Мы не полностью понимаем эволюционную историю их глаз. Хотя современные угрю-кокону обладают только простыми глазными пятнами, способными обнаруживать свет, окаменелости из Carboniferous period предполагают, что их предки могли иметь более сложные, линзовидные глаза. Существует ли потеря зрения как адаптация к темным, иловой глубине, или они представляют более примитивную ветвь эволюции зрения, остается предметом интенсивных дебатов среди морфологов.

И мы еще не научились синтезировать их слизь. В то время как intermediate filament нити могут быть произведены рекомбинантно в E. coli, точный процесс, с помощью которого угорь-кокон упаковывает эти нити в такие компактные, высокоскоростные системы развертывания, остается вне наших текущих инженерных возможностей. Мы имеем дело с 300-миллионной летней решением проблемы материаловедения, которую мы только начинаем определять.

Угорь-кокон напоминает нам, что в глубоком океане самым эффективным оружием не является зуб или коготь, а способность превратить само окружение против вторгшегося.

2017 के एक जुलाई के दोपहर, ओरेगन के एक राजमार्ग को तीन टन सफेद, दम लेने वाली गोंदली ने मिटा दिया। ट्रक द्वारा पैसिफिक हैगफिश ले जाने के कारण हुई इस रिसाव ने जनता के लिए उजागर कर दिया कि जिसे समुद्री जीव विज्ञानी दशकों से जानते हैं: यह प्राचीन, जबड़ा रहित शिकारी तरल गतिकी के भौतिकी के नियमों को तोड़ने वाले एक जैविक रोध का माहिर है।

13 जुलाई, 2017 को, ओरेगन हाईवे 101 पर एक फ्लैटबेड ट्रक झूला, जिससे 13 लाइव कार्गो के कंटेनर एस्फल्ट पर गिर गए। कार्गो में 7,500 पाउंड के Pacific hagfish थे, जो दक्षिण कोरिया के निर्यात के लिए थे। कुछ ही सेकंड में, सड़क और एक निकटवर्ती सैडन के ऊपर अपारदर्शी, चिपचिपा गूदे की बारिश हो गई। असर के कारण तनाव में रहे मछलियों ने अपने प्राथमिक रक्षा तंत्र को सक्रिय कर दिया। अगले दिन बचावकर्मियों ने बर्फ की सफाई के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों और उच्च-दबाव वाले पानी के पाइप का उपयोग करके एक ऐसे पदार्थ को साफ करने में बिताया, जो धोए जाने पर भी बढ़ता हुआ दिखाई दे रहा था।

यही वह दुनिया है जिसमें Myxini रहते हैं, एक ऐसी मछली की श्रेणी जो लगभग बदले बिना लगभग Carboniferous period के बाद से, करीब 310 मिलियन वर्ष पहले से अस्तित्व में है। अक्सर 'स्लाइम ईल' कहा जाता है, हैगफिश ईल ही नहीं होते हैं। वे एक विकासात्मक पुल हैं, एकमात्र जीवित जानवर जिनमें एक पार्श्व छत्र होता है लेकिन कोई तंत्रिका शिरा नहीं होती है, हालांकि वे अपने पूंछ में एक अपूर्ण तंत्रिका शिरा बरकरार रखते हैं। उनके शरीर गुलाबी, कीड़े के जैसे होते हैं और एक ऐसी त्वचा में घिरे होते हैं जो एक ढीले सूट की तरह फिट होती है। वे अंधे होते हैं, गहरे समुद्री तल पर गंध और स्पर्श द्वारा कार्नेज की खोज करते हैं, लेकिन उनके पास एक रक्षात्मक हथियार होता है जो इतना प्रभावी होता है कि एक बार के काटने के बाद भी सबसे आक्रामक शार्क भी बीमार और पीछे हट जाते हैं।

पदार्थ का विस्तार

हैगफिश के शरीर के आसपास लगभग सौ slime glands होते हैं। जब एक शिकारी हमला करता है, तो ये ग्रंथियां एक छोटी मात्रा के दूधिया अल्प उत्सर्जन को निकालती हैं—केवल एक चम्मच के बराबर—जो दो घटकों से बना होता है: mucin और intermediate filament धागे। 0.4 सेकंड के भीतर, यह मिश्रण समुद्री जल के साथ प्रतिक्रिया करके अपने आयतन के 10,000 गुना तक फैल जाता है। परिणाम एक सरल जैल नहीं होता, बल्कि एक जटिल, विस्कोएलस्टिक जाल होता है जो पानी को फंसा लेता है और उसे एक जांघ के जैसे मिश्रण में बदल देता है। एक ही हैगफिश एक ब्लिंक के समय में एक बर्तन में 20 लीटर पानी को एक ठोस स्लाइम के ब्लॉक में बदल सकता है।

रहस्य धागों में है। प्रत्येक ग्रंथि में हजारों 'स्केन्स' होते हैं, जो कि 100 माइक्रोमीटर लंबे तीव्र रूप से घुमाए गए प्रोटीन गेंदों होते हैं। जब वे पानी में पहुंचते हैं, तो धागों को जोड़े रखने वाला चिपचिपा पदार्थ घुल जाता है, और धागे—कुछ दस सेंटीमीटर लंबे—बमुश्किल गति से खुल जाते हैं। ये धागे अल्फा-केराटिन से बने होते हैं, जो मनुष्य के बाल और नाखून के प्रोटीन के समान होते हैं, लेकिन उनमें तन्यता शक्ति और ऊर्जा अवशोषित करने की क्षमता होती है जो मकड़ी के रेशे के समान होती है। University of Guelph के अनुसंधानकर्ताओं ने पाया है कि ये तार अपनी मूल लंबाई के कई गुना तक खींचे जा सकते हैं बिना टूटे, जिससे नए, स्थायी उच्च-कार्यक्षम रेशों के विकास के लिए वे एक उत्कृष्ट उम्मीदवार हैं।

यात्रा करने वाला नोड

एक आत्म-उत्पन्न गूदे के बादल में रहना एक समस्या पैदा करता है: हैगफिश को सांस लेनी होती है। अपनी रक्षा के कारण बचने के लिए, जानवर ने एक अद्वितीय व्यवहार का विकास किया है जिसे travelling knot कहा जाता है। अपने शरीर को एक ओवरहेड नोड में बांधकर और लूप को सिर से पूंछ तक फिसलाकर, हैगफिश अपनी त्वचा से गूदा को भौतिक रूप से स्क्रैच करके अपने एकल नाक छिद्र और फेफड़े के खुले छिद्रों को साफ करता है।

यह नोडिंग उनके भोजन के लिए मुख्य उपकरण है। क्योंकि उनके पास जबड़े नहीं होते हैं, हैगफिश के पास कार्नेज के टुकड़ों को काटने का कोई तरीका नहीं होता है जिसे वे खोजते हैं। इसके बजाय, वे केराटिन के एक जोड़े के क्षैतिज रूप से चलने वाले, कंघी के आकार के प्लेटों का उपयोग शरीर के टुकड़ों को पकड़ने के लिए करते हैं। एक बार जब वे जकड़े हुए हो जाते हैं, तो वे अपने पूंछ में एक नोड बांधते हैं और शिकार की ओर आगे धकेलते हैं, जिससे एक लीवर बिंदु बनता है जो उन्हें मांस के टुकड़ों को खींचकर निकालने की अनुमति देता है। अक्सर, वे एक मौजूदा छिद्र के माध्यम से या एक छेद को बनाकर कार्नेज में प्रवेश करते हैं, जानवर को भीतर से बाहर निकाल देते हैं, जब तक कि केवल एक 'व्हेल-फॉल' हड्डियों के ढांचे और एक त्वचा के बैग ही तल पर बचा नहीं रह जाता है।

जो हम अभी तक नहीं जानते

हम नहीं जानते कि हैगफिश प्राकृतिक रूप से कैसे प्रजनन करते हैं। गहरे समुद्र में उनकी प्रचुरता के बावजूद, कोई भी अभी तक अपने प्राकृतिक वातावरण में उनके मिलने या अंडे देने के दृश्य को नहीं देखा है। बंदी अवस्था में, वे लगभग कभी भी भ्रूण नहीं उत्पन्न करते हैं, और अध्ययन किए गए थोड़े से अंडों में वेल्क्रो-टिप्ड अंडे केवल उनके विकास के एक अंश को दर्शाते हैं, जो लार्वा चरण को पूरी तरह से छोड़ देते हैं।

हम उनकी आंखों के विकास के इतिहास को पूरी तरह से समझ नहीं पाए हैं। जबकि आधुनिक हैगफिश में केवल प्रकाश को पहचानने में सक्षम सरल आंखों के छोटे बिंदु होते हैं, Carboniferous period के जीवाश्म इंगित करते हैं कि उनके पूर्वजों में अधिक जटिल, लेंस वाली आंखें हो सकती हैं। यह ज्ञात नहीं है कि क्या वे अंधे होने के कारण अंधेरे, गाद भरे गहराई के अनुकूलन के कारण अपनी दृष्टि खो दिए थे, या फिर वे दृश्य वृक्ष की एक अधिक प्राचीन शाखा का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो आकार विज्ञानविदों के बीच गहिरी चर्चा का विषय बना हुआ है।

और हमने अभी तक अपने गूदे के संश्लेषण को नहीं सीखा है। जबकि intermediate filament धागे को E. coli में पुनर्योगात्मक रूप से उत्पन्न किया जा सकता है, हैगफिश द्वारा इन धागों को इतनी संपीड़ित, उच्च गति के निकासी प्रणालियों में पैक करने की ठीक विधि अभी हमारे वर्तमान इंजीनियरिंग के बाहर है। हम एक 300 मिलियन वर्ष पुराने समाधान के सामने हैं, जो एक सामग्री विज्ञान की समस्या है, जिसे हम अभी तक परिभाषित नहीं कर पाए हैं।

हैगफिश एक याद दिलाता है कि गहरे समुद्र में, सबसे प्रभावी हथियार एक दांत या एक पैर नहीं है, बल्कि एक घुसपैठी के खिलाफ वातावरण को खुद के खिलाफ लाने की क्षमता है।

2017年7月のある午後、オレゴン州のハイウェイは3トンもの白く息の詰まるような粘液によって塗りつぶされた。ヌタウナギを運搬していたトラックによるこの流出事故は、海洋生物学者たちが数十年前から熟知していた事実を世に知らしめることとなった。この古代の無顎の掃除屋は、流体力学の物理法則を覆す生体防御の達人なのである。

2017年7月13日、オレゴン州のハイウェイ101号線で平ボディのトラックがハンドルを切り損ね、13個のコンテナーに詰められた生きた貨物がアスファルトの上にぶちまけられた。その貨物とは、韓国への輸出を控えていた7,500ポンドのPacific hagfishだった。数秒のうちに、道路と近くのセダンは溢れ出した半透明で粘り気のある粘液に埋め尽くされた。衝撃によるストレスを感じた魚たちは、最大の防御機構を働かせたのである。消防士たちはその日の午後、除雪車と高圧ホースを駆使して、洗い流そうとするそばから増殖していくような物質の除去作業に追われた。

これが、Myxiniの世界である。Carboniferous period（約3億1000万年前）からほとんど姿を変えずに生き残ってきた無顎類の魚だ。「ヌタウナギ（slime eels）」とも呼ばれるが、実際にはウナギの仲間ではない。彼らは進化の架け橋であり、頭蓋骨を持ちながら脊柱を持たない（ただし尾には退化した脊椎が残っている）唯一の現生動物である。その体はピンク色でミミズのように細長く、たるんだ靴下のようにゆるい皮膚に包まれている。目は見えず、深海の底で死骸を嗅覚と触覚で探して食べるスカベンジャーだが、獰猛なサメでさえ一度噛みつけば吐き気を催して退散するほど強力な防御兵器を備えている。

物質の膨張

ヌタウナギの体の周囲には、約100個のslime glandsが並んでいる。捕食者が襲いかかると、これらの腺からティースプーン一杯分にも満たないわずかな量の乳白色の分泌液が放出される。これには2つの成分、mucinとintermediate filamentの糸が含まれている。0.4秒足らずで、この混合液は海水と反応して体積が1万倍に膨れ上がる。その結果生まれるのは単なるゲルではなく、水を閉じ込めて窒息を誘発する泥状の物質へと変える、複雑で粘弾性のあるメッシュ構造である。たった一匹のヌタウナギが、瞬きする間に20リットルのバケツの水をスライムの固まりに変えてしまうのだ。

その秘密は糸にある。各腺には「スケイン（糸玉）」と呼ばれる、固く巻かれた直径わずか100マイクロメートルのタンパク質の玉が数千個含まれている。それが水に触れると、スケインを固めていた接着成分が溶け出し、長さ約10センチメートルに及ぶ糸が爆発的な速さで解け始める。この糸はアルファ・ケラチンでできており、人間の髪の毛や爪に含まれるタンパク質に近いが、その引張強度とエネルギー吸収能力はクモの糸にも匹敵する。University of Guelphの研究者たちは、これらの繊維が破断することなく元の長さの数倍まで引き伸ばせることを発見しており、持続可能な新しい高性能繊維の開発に向けた有力な候補となっている。

移動する結び目

自ら生成した窒息性の粘液の雲の中で暮らすには、ある問題が生じる。呼吸をしなければならないということだ。自身の防御反応を生き延びるため、この動物はtravelling knotとして知られる独特の行動を進化させた。自分の体を「止め結び」のように結び、その輪を頭から尾へとスライドさせることで、皮膚から物理的に粘液を削ぎ落とし、唯一の鼻孔と鰓の開口部を確保するのである。

この結び目を作る動作は、食事の際の主要な道具でもある。顎を持たないヌタウナギは、餌となる死骸から肉の塊を食いちぎる術を持たない。その代わりに、水平に動く一対の櫛状をしたケラチン質の板を使って肉を掴む。しっかりと固定すると、尾の方で結び目を作り、それを獲物の体に押し当てるように前方へスライドさせる。これによってテコの原理が働き、筋肉を引きちぎることができるのだ。彼らはしばしば、死骸にある既存の開口部から侵入するか、あるいは穴を穿って中に入り込み、内側から内臓を食い尽くす。後に残るのは、海底に横たわる「鯨骨（whale-fall）」の骨格と、皮の袋だけである。

未だ知られざる謎

野生のヌタウナギがどのように繁殖するのか、我々はまだ知らない。深海にこれほど多く生息しているにもかかわらず、自然の生息地で交尾や産卵を目撃した者は一人もいない。飼育下で胚が産まれることは稀であり、これまでに研究された、ベルクロのような突起を持つ数少ない卵黄の詰まった卵からは、幼生期を完全に飛ばして成長するという発達過程の断片が垣間見えるに過ぎない。

彼らの目の進化の歴史も完全には解明されていない。現代のヌタウナギは光を感知できる程度の単純な眼点しか持っていないが、Carboniferous periodの化石からは、彼らの祖先がより複雑なレンズを持つ目を持っていた可能性が示唆されている。暗く泥の堆積した深海への適応として視力を失ったのか、あるいは視覚の系統樹におけるより原始的な分枝を代表しているのかは、形態学者の間で今も激しい議論の的となっている。

そして、あの粘液の合成もまだ完全にはマスターできていない。intermediate filamentの糸はE. coliを用いて組み換え生産することが可能だが、ヌタウナギがどのようにしてこれらの糸をこれほどコンパクトにまとめ、超高速で展開するシステムにパッケージングしているのかという正確なプロセスは、現在の工学技術の及ぶところではない。我々は、人類がようやく定義し始めたばかりの材料科学の問題に対する、3億年前の解決策を目の当たりにしているのである。

ヌタウナギは教えてくれる。深海において最も効果的な兵器とは、牙や爪ではなく、周囲の環境そのものを侵入者に対して牙を剥かせ、利用する能力なのだということを。

The Hagfish