在轟動(dòng)一時(shí)的3D電影《阿凡達(dá)》中，最令人震撼的莫過于那些人類控制的巨大“外骨骼”機(jī)械裝備。它們?cè)谄斜环Q作“移動(dòng)擴(kuò)增平臺(tái)裝甲”(縮寫為“AMP”)。人類穿上了AMP服，通過手臂的活動(dòng)傳遞給AMP服的力量得到了百倍的增強(qiáng)，使人變成了無堅(jiān)不摧的“大力神”。這種出現(xiàn)在科幻影片和小說中的“外骨骼”顯然是現(xiàn)代仿生學(xué)中的一個(gè)內(nèi)容。那么，在動(dòng)物中是不是有它的原形呢?這要從“肉包骨”還是“骨包內(nèi)”這個(gè)問題說起。

乍一看這個(gè)問題，很多人一定會(huì)覺得好笑，動(dòng)物當(dāng)然都是肉包著骨啦。不論是重達(dá)幾十噸的巨鯨還是只有10克重的小老鼠，不論是河里游的魚還是天上飛的鳥，其肌肉再發(fā)達(dá)，也還得靠骨頭在里面撐著。不過，上述的動(dòng)物都是脊椎動(dòng)物。脊椎動(dòng)物都是肌肉在外、骨骼在內(nèi)，這種形式的骨骼稱為，“內(nèi)骨骼”。內(nèi)骨骼的一大特點(diǎn)是它可以隨著肌肉的生長(zhǎng)而不斷生長(zhǎng)。但是，在世界上無論是種類或是數(shù)量都極為龐大的動(dòng)物類群是無脊椎動(dòng)物，它們的骨骼形態(tài)更為復(fù)雜多樣。

豐富多樣的骨骼形式

在無脊椎動(dòng)物中，也有著堪與脊椎動(dòng)物相比的內(nèi)骨骼。比如棘皮動(dòng)物及一些頭足類軟體動(dòng)物就有著與脊椎動(dòng)物骨骼來源相同的、由中胚層形成的內(nèi)骨骼。

在棘皮動(dòng)物中，骨骼最有趣的是海膽。圓球狀的身體被關(guān)閉在堅(jiān)硬的上千片排列得十分整齊、美觀的石灰質(zhì)骨殼中，在這互相鑲合的骨板表面之外長(zhǎng)滿了尖而長(zhǎng)的硬刺，活像“毛栗子”，也有人叫它“海刺猬”。每根刺的基部有活動(dòng)的關(guān)節(jié)，根根長(zhǎng)刺都能活動(dòng)，成為用于行走的工具，某些支撐，某些移動(dòng)，交換接替，好似小孩踩高蹺，一步一步地?fù)u晃前進(jìn)。

海蛇尾的腕細(xì)長(zhǎng)而有很大的彎曲能力，各腕幾乎是空心的，由四列骨板包圍，在腕中央還有一列互相緊接的骨板，稱為椎骨。椎骨與椎骨之間鄰近面有突起及凹槽，如同“齒輪”，使腕的運(yùn)動(dòng)本領(lǐng)很強(qiáng)，有的腕前伸，有的腕隨后，可以像蛇一樣在海底蜿蜒前行。海蛇尾也因此得名。

最近的研究還發(fā)現(xiàn)，在海蛇尾腕的表面的骨骼中布滿著排列有序、呈球狀的方解石晶體，不僅用來支撐骨骼，而且用它來做光學(xué)探測(cè)器。因?yàn)檫@些方解石晶體的微觀結(jié)構(gòu)與凸鏡相似，一個(gè)方解石晶體就像一個(gè)直徑約1／20毫米的微小凸鏡，能把光線聚焦在體表以下5毫米處的神經(jīng)束上，當(dāng)神經(jīng)束接收到凸鏡送來的光信號(hào)后，就立即傳給神經(jīng)中樞，由神經(jīng)中樞做出應(yīng)對(duì)決定。如此說來，海蛇尾看似沒有眼，實(shí)際上全身的骨骼恰是組成了一只巨大的復(fù)眼!

除了內(nèi)骨骼外，在無脊椎動(dòng)物中，這種起支撐作用的結(jié)締組織——骨骼還有多種形式，甚至許多人們通常認(rèn)為沒有骨骼的動(dòng)物實(shí)際上也有骨骼存在。例如，以液體形式支撐身體的體腔液可以視為一種液體靜力骨骼。這種骨骼是由蛋白質(zhì)、多糖及水組成的膠狀物質(zhì)，可以承受壓力并恢復(fù)原體形。

大多數(shù)海綿動(dòng)物都具有骨骼。吸水性很強(qiáng)的沐浴海綿是人們最熟悉的海綿動(dòng)物，身體柔軟，有彈性，可壓縮。沐浴海綿用以支持和維系體型的海綿絲，是造絲細(xì)胞分泌的類似蠶絲的蛋白質(zhì)凝固而形成，成為許許多多縱橫交錯(cuò)的角質(zhì)纖維形成的骨骼。倘若每一細(xì)胞分泌一條絲，那末一塊沐浴海綿，乃由千千萬萬的造絲細(xì)胞通力合作，一條條、一層層累積而成。它們?cè)隗w內(nèi)首先布成密密的網(wǎng)架，其分布和所間隔的空隙格式有條不紊，組成了基礎(chǔ)骨架，這些海綿絲叫做初生纖維。當(dāng)此骨架布置就緒后，進(jìn)而發(fā)生一種較細(xì)的次生纖維。這種纖維生長(zhǎng)極不規(guī)則，并一再分枝連系，組成極小極細(xì)的網(wǎng)眼，造成大量的空隙，因而沐浴海綿的吸水性就大大地增強(qiáng)了。

在腔腸動(dòng)物的各種骨骼中給人深刻印象的還是珊瑚。雖然實(shí)際上能生成完整骨骼的珊瑚只占少數(shù)，多數(shù)種類根本形不成骨骼系統(tǒng)，有的在體內(nèi)僅存有骨針或骨片。

根據(jù)其觸手的數(shù)目，珊瑚通常分為八放珊瑚和六放珊瑚。八放珊瑚多數(shù)呈掌狀分枝或扇狀分枝，其骨骼由形狀不一的骨針構(gòu)成，它們之間多數(shù)形不成相互連接在一起的骨骼系統(tǒng)，只有少數(shù)種類的骨骼互相連接構(gòu)成形狀不一的完整的骨骼系統(tǒng)，如笙珊瑚、蒼珊瑚、柳珊瑚、紅珊瑚等。其中柳珊瑚的中軸骨是由蛋白質(zhì)及黏多糖組成的一種有機(jī)質(zhì)，稱為珊瑚硬蛋白。這種硬蛋白中含有較少的硫，因此具有很大的彈性，所以常被稱為軟珊瑚。紅珊瑚的中軸骨是由紅色的鈣質(zhì)骨針愈合成實(shí)心的軸骨所形成，所以八放珊瑚的骨骼可以是珊瑚硬蛋白，也可以是鈣質(zhì)。

六放珊瑚的體外都有由外胚層的造骨細(xì)胞分泌而形成的骨骼支撐著各自的身軀。每個(gè)小珊瑚蟲的骨骼通過共骨把它們聯(lián)系起來，由于群體中個(gè)體的形狀、分布、共骨及個(gè)體分裂方式各不相同，因而形成各式各樣姿態(tài)萬千的珊瑚骨架，并常以群體骨骼的形態(tài)來命名，如樹枝狀、葉狀、盤狀、球狀、蜂巢狀、卷心菜狀或薔薇狀等。一般地說，凡迎風(fēng)浪生長(zhǎng)的種類，群體骨骼多呈塊狀，分支粗短；背風(fēng)浪生長(zhǎng)的種類，多呈分支狀且枝體細(xì)長(zhǎng)脆弱。它們的石灰質(zhì)骨骼不斷地在淺海中堆積，并與其他動(dòng)植物的鈣質(zhì)骨骼一起(例如軟體動(dòng)物、石灰藻等)，經(jīng)過地質(zhì)年代的作用形成了礁石與島嶼，因此這類珊瑚也稱造礁珊瑚。

身披甲胄的軟體動(dòng)物

在元脊椎動(dòng)物中，各種各樣的“外骨骼”十分常見。即使是在原生動(dòng)物中，也有一些種類能分泌一些物質(zhì)形成不同形狀的外殼或骨骼以加固體形。在原生動(dòng)物中，骨骼最為精美動(dòng)人、和諧對(duì)稱、巧奪天工的是有孔蟲。它的大小近似于海邊的一粒細(xì)砂，身體的直徑大多不足1毫米。有孔蟲可以分泌碳酸鈣形成單室或多室的鈣質(zhì)殼，殼上常常有很多房室，房室間隔板具孔相通，因此得名有孔蟲。

貝殼這種“外骨骼”形式是大多數(shù)軟體動(dòng)物獨(dú)特而醒目的標(biāo)志，所以通常把它們叫做貝類。軟體動(dòng)物是無脊椎動(dòng)物中的一個(gè)“大家族”，目前有記載的就有10萬多種。它們雖然個(gè)個(gè)體軟嬌嫩，但個(gè)個(gè)又都身披甲胄，被堅(jiān)硬的石灰質(zhì)外殼包著，是軟與硬的完美結(jié)合。

貝殼由三層組成，外邊一層為角質(zhì)層，薄而透明。中間一層最厚，是鈣質(zhì)棱柱體。以上這兩層都是由外套膜的邊緣分泌的物質(zhì)形成的。最內(nèi)一層，是由不同薄片重重疊疊，形成極多的細(xì)小隆起，猶如無數(shù)的三棱鏡堆砌在一起，所以，當(dāng)外界光線照射，便發(fā)生光的干擾，折射出光彩奪目的霞光，這就是珍珠層。

貝殼，是軟體動(dòng)物的甲胄。外敵侵犯時(shí)，它們會(huì)馬上把柔軟嬌嫩的身體縮進(jìn)殼內(nèi)，就是再兇猛的敵人，對(duì)它們也毫無辦法。貝殼，也是軟體動(dòng)物棲身的“居室”，御寒的“衣服”。柔軟的身體躲進(jìn)臥室后，即便是在寒冬臘月，它們也是安然無恙。

功能強(qiáng)大的節(jié)肢動(dòng)物外骨骼

不過，動(dòng)物界中真正具有分節(jié)的、甲殼狀的“外骨骼”的，是那些占動(dòng)物總數(shù)80％以上的節(jié)肢動(dòng)物。只有它們的外骨骼才真正把進(jìn)攻和防御兩方面的功能發(fā)揮到極致，使節(jié)肢動(dòng)物成為無脊椎動(dòng)物中最為成功的一個(gè)類群。

節(jié)肢動(dòng)物的外骨骼是由活的細(xì)胞分泌出來的，其大部分結(jié)構(gòu)由十分復(fù)雜的幾丁質(zhì)和各種有機(jī)的與無機(jī)的物質(zhì)沉積所組成，特別堅(jiān)硬。不僅蝦、蟹的大螯可以夾碎很硬的食物，一種蜂通過其堅(jiān)硬鋒利的產(chǎn)卵器也可刺入樹干的木質(zhì)內(nèi)部達(dá)幾厘米的深度。這種結(jié)構(gòu)之所以叫做外骨骼而不稱其為皮膚，不僅因?yàn)樯掀ぜ?xì)胞分泌的表皮層覆蓋整個(gè)身體，而且它確實(shí)與脊椎動(dòng)物的內(nèi)骨骼一樣，不僅構(gòu)成這樣那樣的關(guān)節(jié)，而且肌肉也通過關(guān)節(jié)與外骨骼共同參與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)、攝食等多種機(jī)能，同時(shí)還起到支持保護(hù)身體、防止體內(nèi)水分蒸發(fā)的作用，這對(duì)節(jié)肢動(dòng)物陸地及空中生活是至關(guān)重要的。由于身體的分節(jié)、分區(qū)，外骨骼也必然是按節(jié)排列，即每個(gè)體節(jié)包括一套骨板，即一個(gè)背板、兩個(gè)側(cè)板及一個(gè)腹板。分離的骨板使身體易于運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，節(jié)與節(jié)之間表皮層極薄形成節(jié)問膜，使體節(jié)相連及易于彎曲，靜止時(shí)折疊在前一體節(jié)內(nèi)。

不過，因?yàn)楣?jié)肢動(dòng)物的外骨骼大部分是由已經(jīng)死亡的、一旦形成以后便不能繼續(xù)生長(zhǎng)的幾丁質(zhì)甲殼所構(gòu)成，所以，其肌肉或內(nèi)部器官即使再生長(zhǎng)也只能長(zhǎng)到甲殼所限定的范圍以內(nèi)。幾丁質(zhì)的甲殼就如同古代勇士所披掛的鎧甲，只能在某些部位可以活動(dòng)。這種“鎧甲”雖然保護(hù)了節(jié)肢動(dòng)物的身體，但也大大限制了它們的生長(zhǎng)。如果甲殼內(nèi)部的空間已經(jīng)長(zhǎng)滿而動(dòng)物的生長(zhǎng)尚未完成，它就必須將甲殼裂開，再換一套新的“鎧甲?。由于形成新的甲殼需耗去動(dòng)物體內(nèi)許多營(yíng)養(yǎng)，脫去舊甲殼又要花費(fèi)不少的精力，加上新形成的甲殼又嫩又軟，所以這時(shí)的節(jié)肢動(dòng)物往往因失去抵御能力而成為其他動(dòng)物甚至包括其同類的美味佳肴。等到甲殼遇空氣氧化而變硬之后，昆蟲便可振翅高飛，而蝦、蟹類也可揮舞其嚇人的大螯耀武揚(yáng)威了。節(jié)肢動(dòng)物就是不斷地重復(fù)著這種由激素控制的、定期的脫亮生長(zhǎng)方式直至完全長(zhǎng)成。

節(jié)肢動(dòng)物中還有一個(gè)披著雙層“鎧甲”的怪物——寄居蟹。它長(zhǎng)得既像蝦，又像蟹，除了頭胸部長(zhǎng)著螫足披著甲外，身上還要背著一個(gè)螺殼。原來，寄居蟹的甲殼并不像普通螃蟹的甲殼那么堅(jiān)硬，特別是它的腹部比較柔軟。這樣，它只有不斷發(fā)現(xiàn)適合自己身體的螺殼，鉆進(jìn)去，寄居其中，才有“安全感”。

由于外骨骼有如此之多的好處，所以人們已經(jīng)不僅僅滿足于把它們當(dāng)作是只有在科幻影片和小說中才有的東西，而是積極探索其在仿生學(xué)方面的應(yīng)用價(jià)值。目前，-日本已發(fā)明了鋼鐵俠式的人體外骨骼，可以輔助實(shí)施物理治療，稱為“機(jī)器人服混合輔助肢”。美國(guó)開發(fā)的機(jī)器“XOS”，可以戴在人的手臂、胳膊和背部。它能讓使用者數(shù)百次舉起約90千克的重物也絲毫不覺得累，而且非常便捷，使用者仍能自如爬樓梯或踢足球。此外，美國(guó)軍方正在著手研制這種能夠幫助人類負(fù)重的、“可以穿戴”的機(jī)器人，稱為“外骨骼系統(tǒng)”，希望在不遠(yuǎn)的將來穿在士兵的身上。這種外骨骼服裝能夠讓普通士兵擁有機(jī)器人般的力量和耐力，手提龐大的自動(dòng)大炮參加戰(zhàn)斗，就如一個(gè)人扛步槍般輕松，不僅可以攜帶重型裝備參加行動(dòng)，幫助實(shí)施救援任務(wù)、工程作業(yè)、受傷康復(fù)等，甚至能夠具備“獨(dú)自作戰(zhàn)”的能力。(文章代碼：101523)

[責(zé)任編輯]龐云