海绵骨针特性及其仿生学研究

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1、第21卷第10期地球科学进展Vol.21No.102006年10月ADVANCESINEARTHSCIENCEOct.，2006文章编号：1001-8166（2006）10-1008-06곘海绵骨针特性及其仿生学研究1，21*王晓红，王毅民（1.国家地质实验测试中心，北京100037；2.北京大学环境学院，北京100871）摘要：海绵是生长在海洋或淡水环境中的一种最简单的多细胞生物，3个主要海绵纲中有2个纲的海绵其主要骨架与支撑是玻璃纤维状的硅质骨针。近年来，人们发现了硅质海绵骨针独特的微结构及良好的光纤特性，特别是指出了这些特性给人类带来制造光纤的新思路，并很快引起了科学家对其

2、结构、特性、生长机制与调控的生物学、生矿物学和仿生学的广泛研究兴趣。评述了海绵骨针内部结构和光学特性的发现、海绵骨针研究的热点领域及研究意义，并简要介绍了海绵骨针的国内外研究概况及主要工作。关键词：海绵骨针；生物矿化；微构造；光纤；仿生学中图分类号：Q13文献标识码：A20世纪80年代中我国曾对采自南海海绵骨针的。骨针性质及其骨架结构是海绵分类的主要依的微结构、光导特性和化学组成进行过多方面的测据。小的骨针（微骨针）只有几微米长，而大骨针直试。20世纪90年代中，意大利的科学家发表了发径可达8mm、长达3m。有研究表明，有些海绵的［1，2］［7，8］现海绵骨针具有光导特性的论文。

3、2003年贝尔骨针重量占整个海绵干重的75％。实验室的科学家在Nature杂志撰文指出了海绵骨早在1859年就有关于海绵及其骨针的论文，甚［9，10］针的独特构造和光导特性可能对人类改进光纤制造至详细说明了海绵的分裂及骨针的形成。其［3］工艺，改善光纤性能提供有益启示之后，引起国后，人们关注和研究的主要是有实用价值的海绵及际上的广泛关注，我国科学界媒体也及时作了连续其提取物，而对于骨针的研究甚少。直到20世纪八［4，5］报道。本文将简要介绍这方面的研究概况及其九十年代，科学家从分子生物学角度研究骨针的微意义。结构与生长机制，特别是科学家发现了这种被称为“生物玻璃纤维”的良好光学特

4、性之后，才掀起了对1海绵及海绵骨针骨针纳米结构、光学特性及生长机制与调控的仿生［3，11］海绵（MarineSponge）是地球上最古老、最简单学研究热潮。的多细胞水生动物，也是一种营固着生活的动物，常2海绵骨针研究的热点及意义附着在岩石、贝壳、木质结构、介壳或其它水生植物上。寒武纪是海绵最繁盛的时代［6］，经数亿年的演2.1结构和组成化，通常认为现今的海绵主要有：寻常海绵（Demo-海绵的结构早为人们所熟知，称作“偕老同穴”spongiae）、六射海绵（Hexactinellida）和钙质海绵（Euplectellaaspergillum）的六射海绵，其建造精美绝（Calcar

5、ea）三个纲。海绵是由体内（也常伸出体外）伦，被誉称“维纳斯花篮”（Venus’FlowerBasket）的硅质或钙质纤维状物———“骨针”（Spicule）支撑（图1）；骨针的外观虽然也晶莹剔透，却并不引人注收稿日期：2006-04-21；修回日期：2006-08-24.곘*基金项目：国家自然科学基金项目“一种深海‘玻璃光纤’状物的基本特性及仿生学探索”（编号：50402023）资助．作者简介：王晓红（1969-），女，山西沁县人，研究员，主要从事分析化学和海洋地球化学研究．E-mail：wxh0408＠sina.com*通讯作者：王毅民（1941-），男，河北南宫人，研究员，

6、主要从事地质材料分析技术研究.E-mail：wym7852＠yahoo.com.cn第10期王晓红等：海绵骨针特性及其仿生学研究1009目。然而，近年来揭示的骨针内部的微观构造却令研究了不同温度条件下骨针的热效应，认为骨针的科学家们大为惊奇！环形层反应的是硅纳米颗粒聚合程度的差异，而不20世纪70～80年代，科学家从生物学角度了是其间包裹有有机质（贝尔实验室的结果）。［12，13］解了骨针具有有机轴丝的基本构造，而当人们海绵骨针的主体成分是无定型SiO2，而骨针的发现了其光学性能之后，便很快引起了对其微结构中心丝（芯）是一种有机物，其主要成分是硅蛋白［2，14］及特性的研究兴趣。

7、（Silicatein）。美国加州大学用氢氟酸溶解骨针外层［8］的硅质层获得了蛋白丝。［17］意大利的GianlucaCroce等利用同步辐射小角度X射线散射（SAXS）、SEM、热重力分析（TGA）、微扫描量热器（DSC）、傅立叶红外光谱（FTIR）以及分子模拟等多种手段研究了寻常海绵纲的三种海绵骨针样品和六放海绵纲的一个海绵骨针样品中硅蛋白丝的内部结构并测定了骨针的有机物质含量。寻常海绵纲的三种海绵骨针中有机组分约15％，六放海绵纲的一种海绵骨针中有机组分约10％。1“维纳斯