本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
在巧妙的變形蟲這裡，今年一定是海綿年，因為我似乎寫再多關於海綿的文章和它們驚人的微觀結構都不夠。下面是今日海綿，它是我之前討論過的一種：Euplectella aspergillum，也稱為維納斯花籃。
“Euplectella aspergillum”，作者：NOAA/蒙特雷灣水族館研究所 - NOAA 照片庫。根據公共領域許可透過 維基共享資源 授權。
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Euplectella 是一種深水玻璃海綿，不同於我今年早些時候在這裡討論的更常見的淺水礁海綿，後者是尋常海綿。正如您從影像中看到的，它擁有一個由編織玻璃纖維製成的複雜骨架。
“Euplectella sp fibre”，作者：ja:User:NEON / commons:User:NEON_ja - 自己的作品。根據 CC BY-SA 2.5 許可透過 維基共享資源 授權。
還要注意 Euplectella 底部看似無害的白色簇狀物
“92 ANM Glass sponge 2”，作者：Randolph Femmer - 國家生物資訊基礎設施 6259。根據公共領域許可透過 維基共享資源 授權。
這些是錨釘骨針（也稱為基底骨針），柔韌且數量成千上萬，其功能應該從它們的名稱中顯而易見。它們只有 50 微米厚，但長達 10 釐米（4 英寸）。但它們看似纖細的外觀掩蓋了一些嚴肅的工程學原理。因為如果你把這些簇狀物放在顯微鏡下，你就會看到這樣的景象
正如您所見，錨釘骨針在 B 和 C 中被放大，並且具有一些非常粗糙的結構：一組彎曲的倒鉤，可與巨型烏賊觸手上的倒鉤媲美。在更靠近海綿底部的位置，骨針形成束狀，粘附在海綿主框架的支撐柱上。
但這些錨釘骨針最令人驚歎的特徵是：如果你將其中一個折斷成兩半，正如科學家在上面的影像 D 中所做的那樣，你將看到一個實心二氧化矽核，周圍環繞著 10 到 50 個同心二氧化矽圓柱體。它就像一根巨大的同軸電纜，包含一層又一層的護套。每個二氧化矽護套的厚度都隨著與細絲核心距離的增加和與表面的距離的減小而逐漸減小。在每個護套之間是一個由蛋白質、碳水化合物、脂質或它們的某種組合製成的薄有機層。如果有什麼用途的話，這種結構是用來做什麼的呢？
布朗大學和哈佛大學的科學家著手回答這個問題，他們使用了數學和計算機模型。他們假設，層狀結構以某種方式重新分配內部應力，使骨針比原本更堅固。之前的研究已經得出結論（毫不奇怪），錨釘骨針中的許多層會使它們比單個實心細絲更能抵抗斷裂。任何時候在一個層中形成裂縫，由於有機層的分隔，它都無法輕易擴散到下一層。
但這些科學家懷疑，這種結構的機械優勢可能還有更多故事，並著手檢驗“圓柱體厚度減小有助於使骨針在廣泛的‘外部載荷狀態’下更堅固”的假設。他們建立了一個計算機模型，旨在發現圓柱體厚度的理想序列，並將其與在海綿中觀察到的圓柱體厚度序列進行比較。為了衡量各種厚度的有效性，他們測量了一個稱為“負載能力”的屬性，定義為“骨針可以從其表面倒鉤傳遞到骨架而不發生破壞的最大拉伸力”。
他們發現，在他們的模型中，帶護套圓柱體的負載能力始終優於實心細絲，並且負載能力隨著圓柱體數量的增加而提高，最大增益為 25%。此外，他們發現模型中圓柱體厚度的最佳序列與實際骨針中看到的圓柱體厚度序列相匹配，這支援了他們的假設，即層狀結構使其更堅固。
然而，他們警告說，該結構的強度增強特性可能不是導致其形狀的唯一因素。它也可能僅僅是海綿用來構建細絲的過程的副產品——這個過程尚未被理解。例如，魚鱗包含生長環，這是其製造方式的後果，並且沒有明顯的用途。也可能是最初作為生長過程副產品建立的層狀結構，後來被自然選擇共同選擇，用於提高強度和抵抗斷裂。
或者甚至可能還有更多選擇力作用於該結構。正如作者指出的那樣，許多動物骨骼具有多種功能，並非所有功能都是機械的。例如，人類骨骼還製造血液和免疫細胞，並儲存鈣和鐵以供身體其他部位使用。二氧化矽海綿骨針非凡的光纖特性早已為人所知，並且層狀錨釘骨針結構也可能以某種方式參與對海綿有益的光傳輸。然而，無論是什麼力量塑造了這些骨針，作者寫道，該產品顯然也增強了骨骼的強度。
玻璃海綿錨釘骨針的結構也可能對工程師具有啟發意義。傳統上，為了加強承重梁，工程師會對它們的形狀進行調整。當然，最經典的例子是工字梁。玻璃海綿告訴我們，內部可能與外部同樣重要。
更正：中部夏令時 2015 年 4 月 8 日下午 12:37。這篇博文最初將所述工作歸功於布朗大學和聖路易斯華盛頓大學的科學家。科學家實際上來自布朗大學和哈佛大學。作者對這個錯誤表示歉意。
參考文獻
Monn M.A.、田陽張、喬安娜·艾森伯格和哈尼什·凱薩里 (2015)。百合玻璃海綿層狀錨釘骨針內部結構的新功能見解，《美國國家科學院院刊》，201415502。DOI: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1415502112