神奇的外骨骼

在轟動一時的3D電影《阿凡達》中，最令人震撼的莫過于那些人類控制的巨大“外骨骼”機械裝備。它們在片中被稱作“移動擴增平臺裝甲”(縮寫為“AMP”)。人類穿上了AMP服，通過手臂的活動傳遞給AMP服的力量得到了百倍的增強，使人變成了無堅不摧的“大力神”。這種出現在科幻影片和小說中的“外骨骼”顯然是現代仿生學中的一個內容。那么，在動物中是不是有它的原形呢?這要從“肉包骨”還是“骨包內”這個問題說起。

乍一看這個問題，很多人一定會覺得好笑，動物當然都是肉包著骨啦。不論是重達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，其肌肉再發達，也還得靠骨頭在里面撐著。不過，上述的動物都是脊椎動物。脊椎動物都是肌肉在外、骨骼在內，這種形式的骨骼稱為，“內骨骼”。內骨骼的一大特點是它可以隨著肌肉的生長而不斷生長。但是，在世界上無論是種類或是數量都極為龐大的動物類群是無脊椎動物，它們的骨骼形態更為復雜多樣。

豐富多樣的骨骼形式

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

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

海蛇尾的腕細長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”，使腕的運動本領很強，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。

最近的研究還發現，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，而且用它來做光學探測器。因為這些方解石晶體的微觀結構與凸鏡相似，一個方解石晶體就像一個直徑約1／20毫米的微小凸鏡，能把光線聚焦在體表以下5毫米處的神經束上，當神經束接收到凸鏡送來的光信號后，就立即傳給神經中樞，由神經中樞做出應對決定。如此說來，海蛇尾看似沒有眼，實際上全身的骨骼恰是組成了一只巨大的復眼!

除了內骨骼外，在無脊椎動物中，這種起支撐作用的結締組織——骨骼還有多種形式，甚至許多人們通常認為沒有骨骼的動物實際上也有骨骼存在。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、多糖及水組成的膠狀物質，可以承受壓力并恢復原體形。

大多數海綿動物都具有骨骼。吸水性很強的沐浴海綿是人們最熟悉的海綿動物，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，是造絲細胞分泌的類似蠶絲的蛋白質凝固而形成，成為許許多多縱橫交錯的角質纖維形成的骨骼。倘若每一細胞分泌一條絲，那末一塊沐浴海綿，乃由千千萬萬的造絲細胞通力合作，一條條、一層層累積而成。它們在體內首先布成密密的網架，其分布和所間隔的空隙格式有條不紊，組成了基礎骨架，這些海綿絲叫做初生纖維。當此骨架布置就緒后，進而發生一種較細的次生纖維。這種纖維生長極不規則，并一再分枝連系，組成極小極細的網眼，造成大量的空隙，因而沐浴海綿的吸水性就大大地增強了。

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

根據其觸手的數目，珊瑚通常分為八放珊瑚和六放珊瑚。八放珊瑚多數呈掌狀分枝或扇狀分枝，其骨骼由形狀不一的骨針構成，它們之間多數形不成相互連接在一起的骨骼系統，只有少數種類的骨骼互相連接構成形狀不一的完整的骨骼系統，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及黏多糖組成的一種有機質，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骨針愈合成實心的軸骨所形成，所以八放珊瑚的骨骼可以是珊瑚硬蛋白，也可以是鈣質。

六放珊瑚的體外都有由外胚層的造骨細胞分泌而形成的骨骼支撐著各自的身軀。每個小珊瑚蟲的骨骼通過共骨把它們聯系起來，由于群體中個體的形狀、分布、共骨及個體分裂方式各不相同，因而形成各式各樣姿態萬千的珊瑚骨架，并常以群體骨骼的形態來命名，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，凡迎風浪生長的種類，群體骨骼多呈塊狀，分支粗短；背風浪生長的種類，多呈分支狀且枝體細長脆弱。它們的石灰質骨骼不斷地在淺海中堆積，并與其他動植物的鈣質骨骼一起(例如軟體動物、石灰藻等)，經過地質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。

身披甲胄的軟體動物

在元脊椎動物中，各種各樣的“外骨骼”十分常見。即使是在原生動物中，也有一些種類能分泌一些物質形成不同形狀的外殼或骨骼以加固體形。在原生動物中，骨骼最為精美動人、和諧對稱、巧奪天工的是有孔蟲。它的大小近似于海邊的一粒細砂，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”形式是大多數軟體動物獨特而醒目的標志，所以通常把它們叫做貝類。軟體動物是無脊椎動物中的一個“大家族”，目前有記載的就有10萬多種。它們雖然個個體軟嬌嫩，但個個又都身披甲胄，被堅硬的石灰質外殼包著，是軟與硬的完美結合。

貝殼由三層組成，外邊一層為角質層，薄而透明。中間一層最厚，是鈣質棱柱體。以上這兩層都是由外套膜的邊緣分泌的物質形成的。最內一層，是由不同薄片重重疊疊，形成極多的細小隆起，猶如無數的三棱鏡堆砌在一起，所以，當外界光線照射，便發生光的干擾，折射出光彩奪目的霞光，這就是珍珠層。

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

功能強大的節肢動物外骨骼

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

節肢動物的外骨骼是由活的細胞分泌出來的，其大部分結構由十分復雜的幾丁質和各種有機的與無機的物質沉積所組成，特別堅硬。不僅蝦、蟹的大螯可以夾碎很硬的食物，一種蜂通過其堅硬鋒利的產卵器也可刺入樹干的木質內部達幾厘米的深度。這種結構之所以叫做外骨骼而不稱其為皮膚，不僅因為上皮細胞分泌的表皮層覆蓋整個身體，而且它確實與脊椎動物的內骨骼一樣，不僅構成這樣那樣的關節，而且肌肉也通過關節與外骨骼共同參與動物的運動、攝食等多種機能，同時還起到支持保護身體、防止體內水分蒸發的作用，這對節肢動物陸地及空中生活是至關重要的。由于身體的分節、分區，外骨骼也必然是按節排列，即每個體節包括一套骨板，即一個背板、兩個側板及一個腹板。分離的骨板使身體易于運動。同時，節與節之間表皮層極薄形成節問膜，使體節相連及易于彎曲，靜止時折疊在前一體節內。

不過，因為節肢動物的外骨骼大部分是由已經死亡的、一旦形成以后便不能繼續生長的幾丁質甲殼所構成，所以，其肌肉或內部器官即使再生長也只能長到甲殼所限定的范圍以內。幾丁質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。這種“鎧甲”雖然保護了節肢動物的身體，但也大大限制了它們的生長。如果甲殼內部的空間已經長滿而動物的生長尚未完成，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物體內許多營養，脫去舊甲殼又要花費不少的精力，加上新形成的甲殼又嫩又軟，所以這時的節肢動物往往因失去抵御能力而成為其他動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威了。節肢動物就是不斷地重復著這種由激素控制的、定期的脫亮生長方式直至完全長成。

節肢動物中還有一個披著雙層“鎧甲”的怪物——寄居蟹。它長得既像蝦，又像蟹，除了頭胸部長著螫足披著甲外，身上還要背著一個螺殼。原來，寄居蟹的甲殼并不像普通螃蟹的甲殼那么堅硬，特別是它的腹部比較柔軟。這樣，它只有不斷發現適合自己身體的螺殼，鉆進去，寄居其中，才有“安全感”。

由于外骨骼有如此之多的好處，所以人們已經不僅僅滿足于把它們當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方面的應用價值。目前，-日本已發明了鋼鐵俠式的人體外骨骼，可以輔助實施物理治療，稱為“機器人服混合輔助肢”。美國開發的機器“XOS”，可以戴在人的手臂、胳膊和背部。它能讓使用者數百次舉起約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，美國軍方正在著手研制這種能夠幫助人類負重的、“可以穿戴”的機器人，稱為“外骨骼系統”，希望在不遠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器人般的力量和耐力，手提龐大的自動大炮參加戰斗，就如一個人扛步槍般輕松，不僅可以攜帶重型裝備參加行動，幫助實施救援任務、工程作業、受傷康復等，甚至能夠具備“獨自作戰”的能力。(文章代碼：101523)

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