生命，刚柔嵌合
环球科学约 3 分钟图片来源：《环球科学》杂志2026年2月刊
撰文｜阿尼尔班·穆克霍帕德海（Anirban Mukhopadhyay）
翻译｜巢栩嘉
想象一下迪斯科球（mirror ball）的表面，镜子蜘蛛（Thwaitesia argentiopunctata，又称亮片蜘蛛）的腹部就像它一样覆盖着许多微小的镜面亮片（由鸟嘌呤晶体组成），在光线下闪闪发光。这些亮片可以快速展开或收缩，产生截然不同的闪光图案。
这种不寻常的结构，其实源于自然界中普遍存在的结构单元：类似瓷砖的硬质片状物通过柔性接缝拼接而成。从龟壳到热带水果的外皮，这种镶嵌结构广泛存在于各类生物中。
目前，研究人员已在动物、植物、微生物乃至病毒中，系统整理出100种镶嵌结构，相关成果发表于《美国科学院院刊·连结》（PNAS Nexus）。
梅森·迪恩（Mason Dean，这项研究的通讯作者之一）是中国香港城市大学的生物学家。最初，他是在对电鳐进行微计算机断层扫描时，注意到其骨骼上存在一种呈规则排列的镶嵌图案。
他惊讶地发现，看似具有像素风颗粒感的图像，实际上是覆盖于软骨表面的镶嵌图案，由无数微小的六边形和五边形紧密拼接而成。德国柏林洪堡大学的动物学家雅娜·切切尔斯卡-霍尔姆斯（Jana Ciecierska-Holmes，这项研究的第一作者）也开始寻找类似的镶嵌结构，结果意外地发现小米种子外皮由多个片状结构单元构成，这些单元之间以精细而复杂的方式相互嵌合。新发现促使他们和同事决定，探究这类镶嵌结构在自然界究竟有多普遍。
研究人员聚焦于真正的镶嵌结构，即不同几何形状的硬质结构单元通过柔性接缝分离开，同时又嵌合在一起，而不仅仅是平面上的视觉图案（如动物毛皮花纹）或是中空的结构（如蜂巢）。
他们还构建了一套框架，以便描述和比较差异极大的生物间不同镶嵌结构的材料、形状、连接方式与功能。结果显示，许多生物即便毫无亲缘关系，也在结构上存在相似之处。
研究人员发现，石鳖演化出了可活动的壳板，鲨鱼则发展出镶嵌式软骨——这两种镶嵌结构在亲缘关系遥远的演化支系中各自独立出现。还有微小的阿米巴虫（amoebae，又称变形虫）竟能用捡拾的矿物碎片，搭建出结构相似的保护外壳。
此外，昆虫复眼的晶状体、南非龟甲龙（Dioscorea elephantipes）木质化的外皮，也显现出类似的镶嵌结构。这一基本构造跨越动物、植物乃至原生生物等不同界别，帮助生物实现视觉、运动和身体防护等多种功能。这种镶嵌结构的反复出现，揭示了几何与生长规律如何推动不同生物演化出相同的策略。例如，鲨鱼和鳐鱼的镶嵌式软骨主要呈六边形，这正是高效覆盖曲面的优选方案。
迪恩还指出，这种生物结构单元（如镜子蜘蛛腹部上一个个亮片）的边界往往与生长过程中新增细胞的区域对齐，使生物组织在扩展时仍能发挥正常作用。此外，德国基尔大学的动物学家斯坦尼斯拉夫·戈尔布（Stanislav Gorb，未参与这项研究）补充道，硬质结构单元与柔性接缝的组合，巧妙地权衡了刚度与柔韧性。“结构若过于刚硬，虽利于抵抗外力，却不利于运动。”
研究团队希望，他们建立的在线图谱能成为一个动态更新的资源库，帮助科学家从各类生物和结构中识别出这类镶嵌图案。迪恩表示：“一旦你开始留意，就会发现它们无处不在。”切切尔斯卡-霍尔姆斯对此深有同感：“你会不知不觉地进入‘镶嵌结构’的世界。”
本文选自《环球科学》杂志2025年2月的前沿栏目。
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