魟魚研究揭示大自然維持幾何形護殼生長的奧秘

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覆蓋不斷長大的骨骼呢？

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

Dean教授是脊椎動物骨骼生長、結構及功能方面的專家，尤其專注（甚至是喜愛）研究鯊魚及魟魚。他表示，當動物和牠們的器官不斷生長，其表層亦不斷在變化着，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。

動物的毛皮或護殼都含有不少天然物料。這些物料雖然提供了保護功能，然而亦可能同時限制了動物的活動和生長。幾何結構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鍵，對數學家、建築師，以至熱衷開發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。有別於大多數魚類的骨骼，鯊魚和魟魚的骨骼全為軟骨，與人類膝蓋關節中的凝膠狀組織相同。然而，鯊魚和魟魚的軟骨還擁有由數以千計細小的盾鱗堆砌而成的「甲胄」，藉以覆蓋骨骼。

那麼，隨着動物成長，骨骼是會令原有的鱗片變大，還是增加其數量，又或兩者兼而有之？Dean教授與德國的多位協作學者結合生物學、材料科學和數學知識共同研究這個生物學難題。

Dean教授說：「我們運用微型電腦斷層掃描技術，選定骨骼上特定區域的大量盾鱗並追蹤它們隨着動物成長所呈現的分佈變化。」

他說：「首先，我們發現魟魚的舌頜骨（見於多數魚類顎內的一組軟骨）確會隨着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大。然而，盾鱗的數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量的增多。」

Dean教授補充道，幾何學上有趣的是，生長中的盾鱗其實並沒有真正改變過形狀。他說：「盾鱗以六邊形為主，輔以數量相近的五邊形和七邊形，就像一個更為複雜的足球表層。」可是，大自然是如何調整出相關的規律呢？

讓所有盾鱗以相同速度生長，看似是一個簡單的解決方法，但研究團隊發現，這樣會導致鱗片之間出現空隙，在較大的鱗片旁邊尤其嚴重，這最終會導致整幅護殼解體。

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。」團隊發現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，從而自動填補動物在生長期間所產生的縫隙，這樣既不需要改變現有鱗片的形狀，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：「研究數據顯示，鱗片之間的細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。」

魟魚一生都依循這種簡單而有效的生長規律，利用先天形成的網狀模式組成甲冑從而保護自己。Dean教授認為，這種已存在了數億年的骨骼設計具有啟發意義。

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構複雜的動態材料。」

Dean教授與其他學者合著的論文刊登於學術期刊《先進科學》。團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柏林夏里特醫學院的學者。