鯊魚和魟魚的骨骼會在成長過程中不斷長大，那牠們軟骨上的盾鱗是如何持續(xù)覆蓋不斷長大的骨骼呢？

香港城市大學(xué)（城大）傳染病及公共衞生學(xué)系海洋生物學(xué)家Mason Dean教授自進(jìn)入研究院以來，便一直對上述問題感到疑惑。

Dean教授是脊椎動物骨骼生長、結(jié)構(gòu)及功能方面的專家，尤其專注（甚至是喜愛）研究鯊魚及魟魚。他表示，當(dāng)動物和牠們的器官不斷生長，其表層亦不斷在變化著，而大自然確保這些複雜的表層得到覆蓋的方法則令他感到好奇。

動物的毛皮或護(hù)殼都含有不少天然物料。這些物料雖然提供了保護(hù)功能，然而亦可能同時限制了動物的活動和生長。幾何結(jié)構(gòu)覆蓋彎曲且不斷變化的表層這一謎題一旦解開，不只能從中了解組織生長的關(guān)鍵，對數(shù)學(xué)家、建築師，以至熱衷開發(fā)3D打印方法的工程師而言同樣吸引。

大自然正好為探究生物學(xué)的微米級以至納米級製作提供了大量的靈感與線索。

鯊魚和魟魚可用作探索拓樸裝填的模型，只是一直未受重視。有別於大多數(shù)魚類的骨骼，鯊魚和魟魚的骨骼全為軟骨，與人類膝蓋關(guān)節(jié)中的凝膠狀組織相同。然而，鯊魚和魟魚的軟骨還擁有由數(shù)以千計細(xì)小的盾鱗堆砌而成的「甲胄」，藉以覆蓋骨骼。

那麼，隨著動物成長，骨骼是會令原有的鱗片變大，還是增加其數(shù)量，又或兩者兼而有之？Dean教授與德國的多位協(xié)作學(xué)者結(jié)合生物學(xué)、材料科學(xué)和數(shù)學(xué)知識共同研究這個生物學(xué)難題。

Dean教授說：「我們運(yùn)用微型電腦斷層掃描技術(shù)，選定骨骼上特定區(qū)域的大量盾鱗並追蹤它們隨著動物成長所呈現(xiàn)的分佈變化?！?/p>

他說：「首先，我們發(fā)現(xiàn)魟魚的舌頜骨（見於多數(shù)魚類顎內(nèi)的一組軟骨）確會隨著魟魚年齡的增長而變大，而其面積則以等軸方式增長，即在不改變形狀的情況下按比例擴(kuò)大。然而，盾鱗的數(shù)量在此過程中大致維持不變，這表示骨骼的生長源自於盾鱗的生長而非其數(shù)量的增多?！?/p>

Dean教授補(bǔ)充道，幾何學(xué)上有趣的是，生長中的盾鱗其實(shí)並沒有真正改變過形狀。他說：「盾鱗以六邊形為主，輔以數(shù)量相近的五邊形和七邊形，就像一個更為複雜的足球表層?！箍墒?，大自然是如何調(diào)整出相關(guān)的規(guī)律呢？

讓所有盾鱗以相同速度生長，看似是一個簡單的解決方法，但研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這樣會導(dǎo)致鱗片之間出現(xiàn)空隙，在較大的鱗片旁邊尤其嚴(yán)重，這最終會導(dǎo)致整幅護(hù)殼解體。

Dean教授說：「大自然找到了一個非常簡單的方法解決這一幾何難題。」團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)盾鱗的生長速度與其體形成正比，即較大的鱗片會生長得較快，從而自動填補(bǔ)動物在生長期間所產(chǎn)生的縫隙，這樣既不需要改變現(xiàn)有鱗片的形狀，亦無需增加新的鱗片。

那麼，骨髂表層如何「知道」需要生長多大？Dean教授說：「研究數(shù)據(jù)顯示，鱗片之間的細(xì)胞能夠感測動物所需的生長幅度。這可能是通過檢測不同大小的鱗片之間的纖維張力變化而獲取資訊?！?/p>

魟魚一生都依循這種簡單而有效的生長規(guī)律，利用先天形成的網(wǎng)狀模式組成甲冑從而保護(hù)自己。Dean教授認(rèn)為，這種已存在了數(shù)億年的骨骼設(shè)計具有啟發(fā)意義。

他說：「這些解決幾何難題的生物組織方法，不僅展示了生物如何克服生長上的限制，還有助我們製造出結(jié)構(gòu)複雜的動態(tài)材料?！?/p>

Dean教授與其他學(xué)者合著的論文刊登於學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)科學(xué)》。團(tuán)隊成員包括來自德國的馬克斯?普朗克膠體和介面研究所、柏林楚澤研究所及洪堡大學(xué)柏林夏里特醫(yī)學(xué)院的學(xué)者。