本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在巧妙的变形虫这里，今年一定是海绵年，因为我似乎写再多关于海绵的文章和它们惊人的微观结构都不够。下面是今日海绵，它是我之前讨论过的一种：Euplectella aspergillum，也称为维纳斯花篮。
“Euplectella aspergillum”，作者：NOAA/蒙特雷湾水族馆研究所 - NOAA 照片库。根据公共领域许可通过 维基共享资源 授权。
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Euplectella 是一种深水玻璃海绵，不同于我今年早些时候在这里讨论的更常见的浅水礁海绵，后者是寻常海绵。正如您从图像中看到的，它拥有一个由编织玻璃纤维制成的复杂骨架。
“Euplectella sp fibre”，作者：ja:User:NEON / commons:User:NEON_ja - 自己的作品。根据 CC BY-SA 2.5 许可通过 维基共享资源 授权。
还要注意 Euplectella 底部看似无害的白色簇状物
“92 ANM Glass sponge 2”，作者：Randolph Femmer - 国家生物信息基础设施 6259。根据公共领域许可通过 维基共享资源 授权。
这些是锚钉骨针（也称为基底骨针），柔韧且数量成千上万，其功能应该从它们的名称中显而易见。它们只有 50 微米厚，但长达 10 厘米（4 英寸）。但它们看似纤细的外观掩盖了一些严肃的工程学原理。因为如果你把这些簇状物放在显微镜下，你就会看到这样的景象
正如您所见，锚钉骨针在 B 和 C 中被放大，并且具有一些非常粗糙的结构：一组弯曲的倒钩，可与巨型乌贼触手上的倒钩媲美。在更靠近海绵底部的位置，骨针形成束状，粘附在海绵主框架的支撑柱上。
但这些锚钉骨针最令人惊叹的特征是：如果你将其中一个折断成两半，正如科学家在上面的图像 D 中所做的那样，你将看到一个实心二氧化硅核，周围环绕着 10 到 50 个同心二氧化硅圆柱体。它就像一根巨大的同轴电缆，包含一层又一层的护套。每个二氧化硅护套的厚度都随着与细丝核心距离的增加和与表面的距离的减小而逐渐减小。在每个护套之间是一个由蛋白质、碳水化合物、脂质或它们的某种组合制成的薄有机层。如果有什么用途的话，这种结构是用来做什么的呢？
布朗大学和哈佛大学的科学家着手回答这个问题，他们使用了数学和计算机模型。他们假设，层状结构以某种方式重新分配内部应力，使骨针比原本更坚固。之前的研究已经得出结论（毫不奇怪），锚钉骨针中的许多层会使它们比单个实心细丝更能抵抗断裂。任何时候在一个层中形成裂缝，由于有机层的分隔，它都无法轻易扩散到下一层。
但这些科学家怀疑，这种结构的机械优势可能还有更多故事，并着手检验“圆柱体厚度减小有助于使骨针在广泛的‘外部载荷状态’下更坚固”的假设。他们创建了一个计算机模型，旨在发现圆柱体厚度的理想序列，并将其与在海绵中观察到的圆柱体厚度序列进行比较。为了衡量各种厚度的有效性，他们测量了一个称为“负载能力”的属性，定义为“骨针可以从其表面倒钩传递到骨架而不发生破坏的最大拉伸力”。
他们发现，在他们的模型中，带护套圆柱体的负载能力始终优于实心细丝，并且负载能力随着圆柱体数量的增加而提高，最大增益为 25%。此外，他们发现模型中圆柱体厚度的最佳序列与实际骨针中看到的圆柱体厚度序列相匹配，这支持了他们的假设，即层状结构使其更坚固。
然而，他们警告说，该结构的强度增强特性可能不是导致其形状的唯一因素。它也可能仅仅是海绵用来构建细丝的过程的副产品——这个过程尚未被理解。例如，鱼鳞包含生长环，这是其制造方式的后果，并且没有明显的用途。也可能是最初作为生长过程副产品创建的层状结构，后来被自然选择共同选择，用于提高强度和抵抗断裂。
或者甚至可能还有更多选择力作用于该结构。正如作者指出的那样，许多动物骨骼具有多种功能，并非所有功能都是机械的。例如，人类骨骼还制造血液和免疫细胞，并储存钙和铁以供身体其他部位使用。二氧化硅海绵骨针非凡的光纤特性早已为人所知，并且层状锚钉骨针结构也可能以某种方式参与对海绵有益的光传输。然而，无论是什么力量塑造了这些骨针，作者写道，该产品显然也增强了骨骼的强度。
玻璃海绵锚钉骨针的结构也可能对工程师具有启发意义。传统上，为了加强承重梁，工程师会对它们的形状进行调整。当然，最经典的例子是工字梁。玻璃海绵告诉我们，内部可能与外部同样重要。
更正：中部夏令时 2015 年 4 月 8 日下午 12:37。这篇博文最初将所述工作归功于布朗大学和圣路易斯华盛顿大学的科学家。科学家实际上来自布朗大学和哈佛大学。作者对这个错误表示歉意。
参考文献
Monn M.A.、田阳张、乔安娜·艾森伯格和哈尼什·凯萨里 (2015)。百合玻璃海绵层状锚钉骨针内部结构的新功能见解，《美国国家科学院院刊》，201415502。DOI: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1415502112