“鲨鱼构造”：黑尖鲨骨架内的纳米级外观

鲨鱼已经进化了4.5亿多年，它们的骨骼不是由骨头形成的，而是由坚硬的矿化软骨形成的。这些生物不仅仅是游泳速度快的，它们是为了提高效率而建造的。它们的脊椎就像天然的泉水，随着每一次尾拍储存和释放能量，使它们能够以平稳、有力的优雅在水中移动。

现在，科学家们正在纳米尺度上观察鲨鱼骨骼内部，揭示了一种微观的“鲨鱼结构”，帮助这些古老的顶级掠食者承受持续运动的极端生理需求。

佛罗里达大西洋大学查尔斯·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的德国电子同步加速器（DESY）和美国国家海洋和大气管理局渔业部合作，利用同步辐射X射线纳米断层扫描技术，结合详细的3D成像和原位机械测试，以前所未有的细节绘制了黑鳍鲨（Carcharhinus limbatus）的内部结构。

发表在ACS Nano上的研究结果揭示了黑鳍鲨矿化软骨内的两个不同区域：钙体和中间层。虽然两者都由密集堆积的胶原蛋白和生物磷灰石组成，但它们的内部结构存在显著差异。

黑鳍鲨生活在世界各地温暖、浅水的沿海水域，是光滑、游泳速度快的捕食者，以其令人难以置信的敏捷性和速度而闻名，时速可达20英里。图片来源：Stephen Kajiura，佛罗里达大西洋大学

在这两个地区，矿化板块都排列在多孔结构中，由厚支柱加固，有助于骨骼承受来自多个方向的应变——这对鲨鱼来说是一种关键的适应，因为鲨鱼不断游泳会给脊椎带来反复的压力。

在纳米尺度上，研究人员观察到微小的针状生物磷灰石晶体——一种也存在于人类骨骼中的矿物质——与胶原蛋白链对齐。这种复杂的结构赋予软骨惊人的强度，同时仍然允许灵活性。

更有趣的是，研究小组发现了主要基于胶原蛋白的螺旋纤维结构，这表明了一种复杂的分层设计，经过优化，可以防止裂纹扩散。在压力下，纤维和矿物质网络共同作用以吸收和分配力，从而增强鲨鱼的弹性和灵活性。

“大自然通过将矿物质与胶原蛋白等生物聚合物结合来构建非常坚固的材料，这一过程被称为生物矿化。这种策略使虾、甲壳类动物甚至人类等生物能够发育出坚韧、有弹性的骨骼，”FAU化学与生物化学系、FAU海洋与机械工程系和FAU生物医学工程系的资深作者兼助理教授Vivian Merk博士说。

“鲨鱼就是一个引人注目的例子。它们的矿物质强化刺就像弹簧一样工作，在游泳时弯曲和储存能量。通过学习它们如何构建如此坚韧但适应性强的骨骼，我们希望能启发下一代材料的设计。”

黑鳍鲨钙质体的矿化区域，是软骨结构的一部分，有助于支撑脊柱。图片来源：佛罗里达大西洋大学黑鳍鲨的中间软骨，箭头突出了支持和加强该结构的内部矿化网络。来源：佛罗里达大西洋大学

在对鲨鱼脊椎微观样本施加机械应力的实验中，研究人员在施加压力的一个周期后观察到微小的变形——小于一微米。有趣的是，断裂仅在第二轮加载后发生，并且包含在单个矿化平面内，这暗示了材料对灾难性破坏的内在抵抗力。

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。

“经过数亿年的进化，我们现在终于可以看到鲨鱼软骨在纳米尺度上是如何工作的，并从中学习，”合著者、FAU生物科学系副教授Marianne Porter博士说。

“我们正在发现微小的矿物结构和胶原纤维是如何结合在一起，创造出一种既坚固又灵活的材料，完美地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。”

黑鳍鲨生活在世界各地温暖、浅水的沿海水域，是光滑、快速的游泳捕食者，以其令人难以置信的敏捷性和速度而闻名，时速可达20英里。它们表现出的最引人注目的行为之一是跳出水面并旋转，通常是在进食时——这一杂技动作增加了它们的神秘感。

这项研究不仅增强了对鲨鱼骨骼的生物力学理解，还为工程师和材料科学家提供了宝贵的见解。

南佛罗里达州沿海水域的一条黑鳍鲨。图片来源：Stephen Kajiura，佛罗里达大西洋大学。该装置展示了用于捕获鲨鱼软骨纳米级高分辨率3D图像的X射线纳米断层扫描系统。图片来源：佛罗里达大西洋大学工程与计算机科学学院院长Stella Batalama博士说：“这项研究突显了跨学科合作的力量。”。

“通过将工程师、生物学家和材料科学家聚集在一起，我们发现了大自然是如何构建坚固而灵活的材料的。鲨鱼软骨的分层纤维增强结构为高性能、有弹性的设计提供了一个引人注目的模型，这为开发从医疗植入物到抗冲击装备的先进材料带来了希望。”

该研究的合著者是Dawn Raja Somu博士。；Steven A.Soini，博士，查尔斯·E·施密特理工学院的两名博士毕业生；Ani Briggs，前FAU工程与计算机科学学院本科生；Kritika Singh博士。；和Imke Greving博士，Helmholtz Zentrum Hereon操作的DESY PETRA III X射线光源分站的科学家；以及美国国家海洋和大气管理局渔业研究鱼类生物学家Michelle Passerotti博士。p