海綿也很“硬”

鄧雙尼

說起“海綿”，你首先想到的會不會是洗澡用的沐浴海綿或者刷碗刷盤子用的清潔海綿，并且聯想到“軟綿綿”一詞？其實，這里說的海綿是一種動物，而且它很“硬”。

海綿的骨架

1841年，英國一名叫理查德·歐文的生物學家在菲律賓附近發現了一種新的海綿種類。當歐文發現其有著復雜的骨骼系統時，感到無比驚奇，并將其骨架描述成“一個精致的‘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），由“堅硬的、閃閃發光的、有彈性的、像頭發一樣粗細的透明絲”編織而成。

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

自玻璃海綿被發現以來，科學家們一直對它感到很好奇——它不僅有著驚人的壽命（一些玻璃海綿被認為已經活了數千年，是地球上最長壽的動物之一），而且可以透光（跟真的玻璃一樣）。在過去20年里，美國哈佛大學的一些生物學家、材料科學家和工程師一直在關注它的另一個特點——復雜的骨架。他們的研究表明，這種骨架非常堅固——幾乎是同類型結構下最不易被壓碎的。

一種新的桁架

這種骨架的強度來自于它獨特的格子結構。它是一個周期性的結構，但一點都不簡單。最早對這種結構產生興趣的是美國哈佛大學材料科學家兼化學家喬安娜·艾森伯格，后來，她的同事卡蒂亞·貝爾托爾迪也被這種格子結構深深吸引。于是，她們一直在研究這種特殊的結構是怎么產生的。

她們發現，構成海綿骨架的玻璃橫梁與桁架有很多共同點——桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構，多用于橋梁和摩天大樓的建構上。一個多世紀以來，工程師們對桁架的首選設計通常是這樣的：一個正方形網格，用對角線加以支撐，從而形成一個堅固的晶格。這種典型的桁架的對角線是“單條”的，然而，海綿晶格的對角線卻是“雙條”的，而且相互間平行分開。再加上這些對角線每隔一個方格才有，使得整個網格看起來像是一個棋盤。

為了弄清這種結構，喬安娜和卡蒂亞用計算機對其進行了模擬，并將其與包括標準桁架模式在內的其他三種相同重量的晶格結構進行了比較。在模擬實驗中，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。與傳統桁架相比，增加了對角線的海綿晶格具有更多的節點，且節點間的距離更小，這可能是它在被壓垮之前能承受更大壓力的一個原因。

受玻璃海綿晶格啟發，喬安娜和卡蒂亞共同合作設計出了新的晶格結構并申請了專利。新的結構在不增加重量的情況下強度變強了，可以建造出更長的橋梁、更輕的便于交通運輸的基礎設施，甚至更精簡的太空交通工具——這是生物（海綿）經過數百萬年的進化，通過反復試錯才得到的。

待解的謎題

然而，為什么玻璃海綿會進化出這種結構，目前研究人員尚不清楚。

玻璃海綿通常生活在數千米深的水下，雖然那里的水壓非常大，但這種壓力是來自四面八方的，對其玻璃橫梁來說，所受的壓力是相等的，會彼此抵消。換言之，水底的壓力并不會對它產生威脅。

還有，玻璃海綿以水中最小的浮游生物為食，因此，它確實需要一個堅固的結構來支撐并過濾水中的浮游生物。此外，玻璃海綿中央腔內常寄居一對儷蝦（蝦在幼蟲的時候住進去，長大之后就逃不出來了，靠流進中央腔的水流而獲取食物，仿佛與海綿結成了夫妻），它堅固的骨架一方面可以保護“伴侶”，防止其被天敵捕食，另一方面可以幫助其減少可能來自其他動物碰撞所產生的傷害。

但是，這些并不足以解釋玻璃海綿骨架為什么會如此堅固。

除了堅固性外，玻璃海綿是如何通過這種堅固的網狀結構來過濾水的，它堅韌的玻璃橫梁的蛋白質硅分子是如何排列的，為什么每個格子中都有些玻璃細絲在輕微擺動而不與其他玻璃橫梁完全相連——這些問題，研究人員也想知道。他們表示，目前對玻璃海綿整個骨架的了解只是處在初級階段，“更深的探索”還在進行中。

無論如何，現在你還認為海綿都是“軟綿綿”的嗎？

（劉誼人摘自《大科技》2022年第12期）