海綿也很“硬”

鄧雙尼

說(shuō)起“海綿”，你首先想到的會(huì)不會(huì)是洗澡用的沐浴海綿或者刷碗刷盤子用的清潔海綿，并且聯(lián)想到“軟綿綿”一詞？其實(shí)，這里說(shuō)的海綿是一種動(dòng)物，而且它很“硬”。

海綿的骨架

1841年，英國(guó)一名叫理查德·歐文的生物學(xué)家在菲律賓附近發(fā)現(xiàn)了一種新的海綿種類。當(dāng)歐文發(fā)現(xiàn)其有著復(fù)雜的骨骼系統(tǒng)時(shí)，感到無(wú)比驚奇，并將其骨架描述成“一個(gè)精致的‘豐饒角’”（豐饒角是希臘古典神話中裝滿鮮花和果物的羊角或羊角狀物，象征和平、慈仁和幸運(yùn)），由“堅(jiān)硬的、閃閃發(fā)光的、有彈性的、像頭發(fā)一樣粗細(xì)的透明絲”編織而成。

后來(lái)，這種海綿動(dòng)物被稱為“玻璃海綿”，其骨架的主要成分是硅（這也是玻璃的主要成分），由居住其體內(nèi)的一種名叫“儷蝦”的動(dòng)物從海水中提取的酸制成。由于它的骨架長(zhǎng)得像一個(gè)精致的花瓶，人們又送給它一個(gè)綽號(hào)，叫“維納斯花籃”。

自玻璃海綿被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家們一直對(duì)它感到很好奇——它不僅有著驚人的壽命（一些玻璃海綿被認(rèn)為已經(jīng)活了數(shù)千年，是地球上最長(zhǎng)壽的動(dòng)物之一），而且可以透光（跟真的玻璃一樣）。在過(guò)去20年里，美國(guó)哈佛大學(xué)的一些生物學(xué)家、材料科學(xué)家和工程師一直在關(guān)注它的另一個(gè)特點(diǎn)——復(fù)雜的骨架。他們的研究表明，這種骨架非常堅(jiān)固——幾乎是同類型結(jié)構(gòu)下最不易被壓碎的。

一種新的桁架

這種骨架的強(qiáng)度來(lái)自于它獨(dú)特的格子結(jié)構(gòu)。它是一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，但一點(diǎn)都不簡(jiǎn)單。最早對(duì)這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生興趣的是美國(guó)哈佛大學(xué)材料科學(xué)家兼化學(xué)家喬安娜·艾森伯格，后來(lái)，她的同事卡蒂亞·貝爾托爾迪也被這種格子結(jié)構(gòu)深深吸引。于是，她們一直在研究這種特殊的結(jié)構(gòu)是怎么產(chǎn)生的。

她們發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成海綿骨架的玻璃橫梁與桁架有很多共同點(diǎn)——桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)，多用于橋梁和摩天大樓的建構(gòu)上。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，工程師們對(duì)桁架的首選設(shè)計(jì)通常是這樣的：一個(gè)正方形網(wǎng)格，用對(duì)角線加以支撐，從而形成一個(gè)堅(jiān)固的晶格。這種典型的桁架的對(duì)角線是“單條”的，然而，海綿晶格的對(duì)角線卻是“雙條”的，而且相互間平行分開。再加上這些對(duì)角線每隔一個(gè)方格才有，使得整個(gè)網(wǎng)格看起來(lái)像是一個(gè)棋盤。

為了弄清這種結(jié)構(gòu)，喬安娜和卡蒂亞用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行了模擬，并將其與包括標(biāo)準(zhǔn)桁架模式在內(nèi)的其他三種相同重量的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。在模擬實(shí)驗(yàn)中，她們看到這種玻璃海綿晶格在破裂前能夠承受的壓力最大。與傳統(tǒng)桁架相比，增加了對(duì)角線的海綿晶格具有更多的節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)間的距離更小，這可能是它在被壓垮之前能承受更大壓力的一個(gè)原因。

受玻璃海綿晶格啟發(fā)，喬安娜和卡蒂亞共同合作設(shè)計(jì)出了新的晶格結(jié)構(gòu)并申請(qǐng)了專利。新的結(jié)構(gòu)在不增加重量的情況下強(qiáng)度變強(qiáng)了，可以建造出更長(zhǎng)的橋梁、更輕的便于交通運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，甚至更精簡(jiǎn)的太空交通工具——這是生物（海綿）經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，通過(guò)反復(fù)試錯(cuò)才得到的。

待解的謎題

然而，為什么玻璃海綿會(huì)進(jìn)化出這種結(jié)構(gòu)，目前研究人員尚不清楚。

玻璃海綿通常生活在數(shù)千米深的水下，雖然那里的水壓非常大，但這種壓力是來(lái)自四面八方的，對(duì)其玻璃橫梁來(lái)說(shuō)，所受的壓力是相等的，會(huì)彼此抵消。換言之，水底的壓力并不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生威脅。

還有，玻璃海綿以水中最小的浮游生物為食，因此，它確實(shí)需要一個(gè)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)來(lái)支撐并過(guò)濾水中的浮游生物。此外，玻璃海綿中央腔內(nèi)常寄居一對(duì)儷蝦（蝦在幼蟲的時(shí)候住進(jìn)去，長(zhǎng)大之后就逃不出來(lái)了，靠流進(jìn)中央腔的水流而獲取食物，仿佛與海綿結(jié)成了夫妻），它堅(jiān)固的骨架一方面可以保護(hù)“伴侶”，防止其被天敵捕食，另一方面可以幫助其減少可能來(lái)自其他動(dòng)物碰撞所產(chǎn)生的傷害。

但是，這些并不足以解釋玻璃海綿骨架為什么會(huì)如此堅(jiān)固。

除了堅(jiān)固性外，玻璃海綿是如何通過(guò)這種堅(jiān)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)過(guò)濾水的，它堅(jiān)韌的玻璃橫梁的蛋白質(zhì)硅分子是如何排列的，為什么每個(gè)格子中都有些玻璃細(xì)絲在輕微擺動(dòng)而不與其他玻璃橫梁完全相連——這些問(wèn)題，研究人員也想知道。他們表示，目前對(duì)玻璃海綿整個(gè)骨架的了解只是處在初級(jí)階段，“更深的探索”還在進(jìn)行中。

無(wú)論如何，現(xiàn)在你還認(rèn)為海綿都是“軟綿綿”的嗎？

（劉誼人摘自《大科技》2022年第12期）