蛋殼不簡單
 
2018/07/16
 
涂煥昌 | 《科學發展》特約文字編輯
 
 

說到蛋,多數人會想到雞蛋,因為它是日常的基本食材,許多科學實驗也會拿雞蛋做耐摔、耐壓或保護測試的材料。事實上,不只鳥類會產蛋,許多爬蟲類也是卵生的,也都倚靠蛋來孵孕下一代。

 

對於雞蛋殼,我們或許已有深入的了解:比如以功能來看,雞蛋殼可以保護內在的胚胎,也兼具與外界交換氣體的能力;而堅硬的殼主要成分中超過9成是碳酸鈣,能提供不錯的耐壓強度……然而,有許多爬蟲類的蛋殼既不堅硬,也無法承受太大的壓力,有些甚至是既軟又韌。同樣是蛋殼,為何卻有這麼多樣化的特質?這現象引起清華大學材料科學工程系陳柏宇教授的高度好奇。

 

陳教授表示,由於演化及生物的習性,造成了爬蟲類與鳥類的蛋殼有截然不同的特性。而就算同屬爬蟲類,如常見的蛇、烏龜與壁虎,牠們的蛋也各自不同。其中蛇類的蛋殼最軟,且富延展性,能夠堆疊在一小空間中;龜類的蛋殼則稍具硬度,但不脆,頗與龜類下蛋的習慣是掉落在坑內有關;而壁虎的蛋殼,初生時如皮革般柔軟有韌性,但隨時間逐漸硬化,使其能安全地藏匿于縫隙中。

 

都是蛋的殼,不同種類的生物卻呈現了截然不同的特質,真是神奇。然而,我們對雞蛋以外的蛋殼,除了粗略的定性描述外,其實是毫無所知的。陳教授便先以台灣眼鏡蛇與班龜的蛋殼為對象,對其機械性質做深入的探討,出乎意料地發現了許多驚人的結果。

首先,陳教授發現蛇、龜之類的爬蟲,其蛋殼是一種複合性的材質,是蛋白質與礦物質的結合。通常,蛋白質會使蛋殼較軟,但韌性較好,惟強度會較差;礦物質則會提升蛋殼的強度,但副作用就是使其變得易脆;而複合式的材質便具有截長補短的優勢,可幫助生物適應外在環境的各種衝擊。

 

陳教授另發現蛇蛋與龜蛋的殼甚薄,僅約1毫米厚,但其結構似乎不是單層,而有數層之多,並且各自有其功能,如蛇蛋殼就是4層結構,龜蛋的殼也有3層。大致看來,最外層是以生物礦化後的角質蛋白為主,質地稍堅硬,具基本的保護功能;中間與裡層則以纖維化的角質蛋白為主,但以垂直交錯與平行的方式編織成型,可能可以增強韌性,使外力難以刺穿或撕裂。如此複雜的多層次結構與複合性成分,讓爬蟲類的蛋在面對環境風險時能有更強大的自我保護能力。

 

陳教授還發現,隨著環境溼度的變化,蛇與龜蛋殼的機械性質也會隨之改變;也就是,同個蛋殼在乾燥與潮溼的環境中,其變形能力(延展性)、韌性(耐撕裂程度)與強度(耐壓力)都會適時調整。見識到如此強大適應力的展現,令人對生物面對大自然多樣化且嚴酷的生存挑戰時,其積極應變的能力讚歎不已。

 

陳教授的研究表面上是分析蛋殼的細部結構,但對防護概念的進化,與複合材質布料的開發上,其實也提供了開創性的思考方向。大自然的巧思與演化的力量令人歎為觀止,師法自然或許也是科技進步的一個途徑。

 
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