鲨鱼没有骨头。它们的骨骼由矿化的软骨构成，帮助它们在水中持续游动。为了了解支撑这些动物强大而优雅的“鲨鱼结构学”，研究人员正在对鲨鱼进行深入研究。
一项发表在《ACS Nano》上的新研究发现了一些令人惊讶的结果。在分析了鲨鱼软骨后，研究人员发现软骨内部似乎有两个不同的区域，并且每个区域的结构差异很大。这些结构表现出抗破坏性，并可能启发未来制造坚固、灵活的材料。
分析鲨鱼骨骼
一条黑鳍鲨的中间软骨的X射线纳米断层扫描重构图。颜色表示支柱的厚度，红色代表较厚的区域，蓝色代表较薄的区域。（图片来源：佛罗里达大西洋大学）
佛罗里达大西洋大学
鲨鱼是强大而高效的生物。据一份新闻稿称，得益于由矿化软骨组成的骨架，它们的脊椎能够像弹簧一样，在摆动尾巴时储存和释放能量。
为了更好地了解这种软骨如何帮助鲨鱼占据海洋食物链的顶端，佛罗里达大西洋大学（FAU）查尔斯·E·施密特科学学院和工程与计算机科学学院的研究人员，与德国电子同步加速器（DESY）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）渔业部门合作，对黑鳍鲨（Carcharhinus limbatus）进行了分析，并绘制了它们的内部结构图。
该团队使用同步X射线纳米断层扫描技术，结合详细的3D成像和原位力学测试，创建了这张地图。结果显示，在纳米尺度上，黑鳍鲨的软骨有两个明显的区域：钙质骨（corpus calcareum）和中间软骨（intermediale）。尽管这两个区域都由致密的胶原蛋白和生物磷灰石构成，但它们的内部结构却大相径庭。
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强大的微观结构
根据该研究，每个区域的软骨都是多孔的，并且具有厚实的支柱，有助于骨骼承受来自多个方向的应变。这是一个关键的适应性特征，因为鲨鱼在不断运动，对它们的脊椎施加压力。
研究人员还发现了微观的针状生物磷灰石晶体，与人类骨骼中的晶体类似，它们与胶原蛋白链排列在一起。这是赋予鲨鱼软骨额外强度和灵活性的另一个因素。
此外，研究团队还观察到了螺旋状的纤维结构，同样含有胶原蛋白，这表明软骨的设计可以防止裂缝扩散，并帮助分散应力和力。
“大自然通过结合矿物质和生物聚合物，如胶原蛋白——这个过程称为生物矿化——来构建 remarkable 坚固的材料。这种策略使虾、甲壳类动物甚至人类能够形成坚韧、有弹性的骨骼，” FAU 化学与生物化学系助理教授、该研究的资深作者 Vivian Merk 在一份新闻稿中说道。
“鲨鱼是一个引人注目的例子。它们矿化强化的脊椎像弹簧一样工作，在游泳时弯曲并储存能量。通过了解它们如何构建如此坚韧又具适应性的骨骼，我们希望能够启发下一代材料的设计，”Merk 在新闻稿中补充道。
鲨鱼对材料的启发
研究团队对鲨鱼脊椎骨的微观碎片施加压力，发现了小于一微米的变形。只有在第二次施压后，团队才观察到脊椎骨出现断裂。但即使那时，断裂也只在一个矿化平面内发生，证明了材料的强度。
“经过数亿年的进化，我们现在终于能够看到鲨鱼软骨在纳米尺度上的工作原理——并向它们学习，”FAU 生物科学系副教授、该研究的合著者 Marianne Porter 在一份新闻稿中说道。
“我们正在发现微小的矿物质结构和胶原蛋白纤维是如何结合在一起，形成一种既坚固又灵活的材料，完美适应鲨鱼强大的游泳能力。这些见解可以帮助我们通过遵循大自然的蓝图来设计更好的材料，”Porter 在新闻稿中补充道。
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ACS Nano. 矿化鲨鱼椎骨软骨结构和变形机制的纳米尺度视图
