貽貝，咬定礁石不放松

Holiso

仔細(xì)觀察礁石上的貽貝，即便周圍不斷有水流沖擊，它們也總是能牢牢地貼在濕潤的、滑溜溜的巖石上，這是怎么做到的呢？美國科學(xué)家于近期探明了這一奧秘，并已開始在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模仿其中機(jī)制生產(chǎn)膠水。

揭開貽貝之謎

“在使用前，請(qǐng)確保被粘物表面的清潔和干燥，48小時(shí)后達(dá)到最佳粘貼強(qiáng)度?！比绻O貝也能表達(dá)自己的感受，這條標(biāo)注在所有膠水瓶上的提示一定會(huì)令它們捧腹大笑。因?yàn)楫?dāng)海水漲潮時(shí)，這群不喜遷徙的生物能夠牢牢附著在巖礁之上，不管多么湍急的水流都無法將它們沖走，它們究竟有著怎樣的獨(dú)門絕技？

第一個(gè)嘗試揭開貽貝之謎的人是美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的赫伯特-韋特。他在20世紀(jì)70年代時(shí)，還是美國哈佛大學(xué)的研究生。他從那時(shí)起開始收集康乃狄克州海岸線上的貽貝，然后把它們帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。他分析了貽貝那些“黏性線狀物”，也就是“足絲”的化學(xué)組成。貽貝就是依靠這些足絲，把自己固定在巖石上的。貽貝會(huì)通過某種類似于注塑生產(chǎn)的生理過程，制造出像頭發(fā)一樣纖細(xì)的足絲。它們強(qiáng)健的足部會(huì)生出溝渠，而它們會(huì)把液態(tài)的蛋白質(zhì)擠壓到溝渠里，只需幾秒鐘時(shí)間，就能形成一條穩(wěn)固的線狀物。每條線狀物的端點(diǎn)上都有一個(gè)黏性的“軟墊”，可以牢牢地吸附在巖石上，或者其他任何貽貝想要貼附的堅(jiān)硬表面上。

物體間的黏合是一種發(fā)生在原子層面上的現(xiàn)象：兩個(gè)表面的原子相互吸引形成黏結(jié)。然而任何一個(gè)裸眼看來光滑如鏡的表面，放大到原子層面看，全都像布滿了高低起伏的山脈，這樣兩個(gè)表面是無法完全契合的。所以要用到一種中介，那就是我們所熟悉的膠水，它可以填補(bǔ)兩個(gè)表面之間的空隙，在需要黏合的物體之間盡可能地制造連接。

在水中用膠

如果在水中使用膠水……那你永遠(yuǎn)也休想成功！因?yàn)槟z水原子更易與水分子結(jié)合，而非物體表面。因此，如果你想將一物體固定在潮濕表面上，必須先等后者干燥。但對(duì)貽貝來說，這個(gè)問題不存在。赫伯特-韋特發(fā)現(xiàn)，貽貝的足絲能夠分泌一種具備三個(gè)分支結(jié)構(gòu)的大分子，這種結(jié)構(gòu)使分子們能夠互相勾連在一起；而在每個(gè)大分支的末端還有另外兩種小分子，分別是賴氨酸分子和多巴分子。正是多巴分子造就了貽貝神奇的黏性，不受水分子影響，能與潮濕的礁石表面緊密結(jié)合。至于賴氨酸分子，它的功能是清除礁石表面海水中的鹽分，僅起到輔助作用。

那么多巴分子為何具有如此強(qiáng)大的黏性呢？因?yàn)檫@是一種所謂的“極性分子”。在多巴分子中，氫原子分布在表面，氧原子處于核心；然而表面氫原子的電子易被氧原子吸引，導(dǎo)致這些氫原子極為渴求新的電子。當(dāng)它們與某個(gè)擁有很多電子的原子距離不足0.25納米時(shí)，就會(huì)形成一座“橋”，稱為“氫鍵”?！皻滏I”不如膠水中的共價(jià)鍵牢固，但它有一項(xiàng)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)：比起水分子，氫鍵更易與巖石中的金屬氧化物結(jié)合。事實(shí)上，這些氧化物極化程度很高，氧原子的那些富余的、不必用于構(gòu)成共價(jià)鍵的電子時(shí)刻準(zhǔn)備與多巴分子中缺失負(fù)電子的氫原子結(jié)合。換言之，貽貝的“膠水”與水分子不怎么親近，倒是與礁巖更親密。

在貽貝足絲末端的每一個(gè)小圓片下都上演著同樣的場(chǎng)景：在這直徑不足2毫米的小小空間內(nèi)，賴氨酸分子清除海水在巖石上留下的鹽分，多巴分子則施展“粘功”。這數(shù)以百計(jì)的黏足，就是貽貝在洶涌海浪中的安全帶！

未來造福人類

科學(xué)家自然又有了新的點(diǎn)子：能否發(fā)明一種基于氫鍵而非共價(jià)鍵的膠水，更通俗地說，一種適用于濕潤環(huán)境的膠水？如果能成功，那就可以粘合破損器官，而不需進(jìn)行縫合；或許還可以直接在水中進(jìn)行潛艇外殼的修復(fù)。起初，研究人員計(jì)劃提取并凈化貽貝的黏性分子，這樣便可獲得100%天然的強(qiáng)力膠水。理論上非常簡單，實(shí)際并不可行，因?yàn)檫@種方法成本過于高昂！于是科學(xué)家嘗試人工合成一種近似的黏性分子。貽貝的黏性分子中央是一“固”氧原子，研究人員用氮原子替代了氧原子，結(jié)果令人驚喜！新的分子不僅具有黏性，并且黏附力更強(qiáng)。這是因?yàn)?，氮原子能使新分子?gòu)建出更多的氫鍵。

赫伯特·韋特實(shí)驗(yàn)室的研究者們不僅在貽貝的啟發(fā)下發(fā)明了好幾種“貽貝膠水”，他們還開發(fā)出了一種富含鄰苯二酚、能夠自愈的聚合物。它的潛在應(yīng)用包括制造人工膝蓋和髖關(guān)節(jié)，這樣幾乎不需要額外的手術(shù)就能維持正常。這種超強(qiáng)膠水還能協(xié)助治療動(dòng)脈斑塊。在治療斑塊造成的血管狹窄時(shí)，醫(yī)生常會(huì)通過球囊和支架來擴(kuò)張血管，支架還會(huì)包裹上抑制血管內(nèi)皮增生的藥物。不過當(dāng)它們被安置到位時(shí)，釋放出的藥物至少有95%都會(huì)被血流沖走。而采用特殊的生物膠水把藥物“粘住”，就可以大大減少藥物的浪費(fèi)，并延長支架的使用時(shí)間。

貽貝膠水在潮濕環(huán)境中依然能發(fā)揮它的附著力，也不會(huì)引發(fā)難以解決的免疫反應(yīng)。這其中包含一個(gè)很有前景的應(yīng)用，就是在產(chǎn)前對(duì)胎兒進(jìn)行手術(shù)（注：這種手術(shù)的目的是治療某些發(fā)育缺陷）。對(duì)胎兒進(jìn)行手術(shù)一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榘麄兊奶ツぬ貏e脆弱，難以縫合。但是在貽貝膠水的幫助下，手術(shù)就容易多了。這種超強(qiáng)膠水比此前的同類產(chǎn)品黏性至少高出10倍，其低分子量和功能特性意味著能大大提高現(xiàn)有黏合劑的性能，同時(shí)有望被用于牙醫(yī)業(yè)、納米技術(shù)、水下維修等眾多領(lǐng)域。

（責(zé)任編輯：曹偉 責(zé)任校對(duì)：司明婧）