节肢动物外骨骼具有运动功能吗？动物的神奇外骨骼系统

在曾经轰动一时的电影《阿凡达》中，最令人惊讶的是人类控制的巨大“外骨骼”机械设备。在影片中他们被称为“移动扩增平台装甲”（简称为“amp”）。当人们穿上amp套装时，手臂活动传递的amp套装的力量增加了百倍，使人们成为不可战胜的“大力士”。这种出现在科幻电影和小说中的外骨骼，显然是现代仿生学的一个内容。那么，动物中有原型吗？这应该从“肉包骨”或“骨包肉”的问题开始说起。

乍一看，很多人会觉得这个问题很有趣。当然，动物当然都是肉包着骨。无论是几十吨重的巨鲸，还是只有10克重的小老鼠，无论是在河里游泳的鱼，还是在天空飞翔的鸟，无论它有多强壮，它仍然由骨头支撑。然而，以上动物都是脊椎动物。脊椎动物的外部有肌肉，内部有骨骼。这种骨头叫做“内骨”。内骨骼的一个特点是随着肌肉的生长而不断生长。然而，无脊椎动物在种类和数量上都是世界上最大的动物群。它们的骨骼形态更加复杂多样。

丰富多样的骨骼形式

在无脊椎动物中，也有着堪与脊椎动物相比的内骨骼。比如棘皮动物及一些头足类软体动物就有着与脊椎动物骨骼来源相同的、由中胚层形成的内骨骼。

在棘皮动物中，最有趣的骨骼是海胆的骨骼。它们球形的身体被成千上万坚硬、整齐、美观的石灰质骨壳中，在这互相镶合的骨板表面之外长满了尖而长的硬刺，如“栗子”，又称“海刺猬”。每根尖刺的底部都有一个可移动的关节，长尖刺可以移动。它可以用作行走工具。某些支撑，某些移动，交换接替，。就像踩着高跷的孩子，一步一步的摇晃前进。

海蛇尾的腕细长而有很大的弯曲能力，各腕几乎是空心的，由四列骨板包围，在腕中央还有一列互相紧接的骨板，称为椎骨。椎骨与椎骨之间邻近面有突起及凹槽，如同“齿轮”，使腕的运动本领很强，有的腕前伸，有的腕随后，可以像蛇一样在海底蜿蜒前行。海蛇尾也因此得名。

最近的研究还发现，海蛇尾腕表面的骨骼上覆盖着有序的球形方解石晶体，不仅用来支撑骨骼，还用作光学探测器。由于这些方解石晶体的微观结构与凸面镜相似，方解石晶体就像一个直径约为1/20毫米的小凸面镜，可以将光聚焦在体表5毫米以下的神经束上。当神经束从凸面镜接收到光信号后，立即将光信号传输到神经中枢，由神经中枢做出判断。所以，海尾蛇巴好像没有眼睛。事实上，整个身体的骨头组成了一个巨大的复眼！

除了内骨骼外，在无脊椎动物中，这种起支撑作用的结缔组织——骨骼还有多种形式，甚至许多人们通常认为没有骨骼的动物实际上也有骨骼存在。例如，以液体形式支撑身体的体腔液可以视为一种液体静力骨骼。这种骨骼是由蛋白质、多糖及水组成的胶状物质，可以承受压力并恢复原体形。

大多数海绵都有骨骼。

吸水性强的天然沐浴海绵是最常见的海绵动物，具有柔软的身体、弹性和可压缩性。沐浴海绵用来支撑和保持海绵丝的体形。它是由制丝细胞分泌的类丝蛋白凝固而成，并成为许多纵横交错的角质形成细胞形成的骨骼。如果每一个细胞都分泌出一种丝，那么一个天然的沐浴海绵就是由数以万计的制丝细胞组成，一个接一个地协同工作。它们首先分布在身体的密集网格中。它们的分布和间距是有序地，形成了基本框架。这些海绵纤维被称为初级纤维。当骨骼排列好后，形成一种细小的二次纤维。这种纤维长得很不规则，而且一次又一次地分支和连系，形成一个及小的网格，造成大量的缝隙，所以天然沐浴海绵的吸水性就大大增强了。

根据触角的数量，珊瑚通常分为八方珊瑚和六方珊瑚。八方珊瑚大多呈掌状分枝或扇形，骨骼有不同形状的骨针组成。它们大多互不相连，只有少数几种骨骼相互连接，形成完整的不同形状的骨骼系统，如生珊瑚、苍珊瑚、柳珊瑚、*********等，其中柳珊瑚轴骨是由蛋白质和粘多糖组成的有机质，被称为珊瑚硬蛋白。这种硬蛋白含硫量少，弹性大，常被称为软珊瑚。*********的中轴骨是由红钙质骨针合成实心轴骨而成，因此八方珊瑚的骨可以是珊瑚硬蛋白，也可以是钙质。

六放珊瑚的体外都有由外胚层的造骨细胞分泌而形成的骨骼支撑着各自的身躯。每个小珊瑚虫的骨骼通过共骨把它们联系起来，由于群体中个体的形状、分布、共骨及个体分裂方式各不相同，因而形成各式各样姿态万千的珊瑚骨架，并常以群体骨骼的形态来命名，如树枝状、叶状、盘状、球状、蜂巢状、卷心菜状或蔷薇状等。一般地说，凡迎风浪生长的种类，群体骨骼多呈块状，分支粗短；背风浪生长的种类，多呈分支状且枝体细长脆弱。它们的石灰质骨骼不断地在浅海中堆积，并与其他动植物的钙质骨骼一起(例如软体动物、石灰藻等)，经过地质年代的作用形成了礁石与岛屿，因此这类珊瑚也称造礁珊瑚。

身披甲胄的软体动物

在脊椎动物中，各种各样的骨骼非常常见。即使在原生动物中，也有一些种类能分泌一些物质形成不同形状的外壳或骨骼以及固体形。在原生动物中，有孔虫是最美丽、最对称、最巧夺天工的。它的大小与海面上的细砂相似，体直径大多小于1毫米。有孔虫能分泌碳酸钙形成单细胞或多细胞的钙壳。壳上常有多个腔室，房室隔由气孔连接，故名有孔虫。

贝壳的“外骨骼”形态是大多数软体动物特有的、引人注目的标志，因此通常被称为贝类。软体动物是无脊椎动物的“大家庭”。记录在案的软体动物超过10万只。它们虽然体软娇嫩，但都披着盔甲，周围是坚硬的钙质外壳，软硬完美结合。

外壳由三层组成，外层为角质层，薄而透明。中间最厚的一层是钙质棱柱体。这两层都是由外套膜的边缘分泌的物质形成的。最内层是由不同的薄片叠合而成，形成许多重重叠叠，就像无数的棱柱堆积在一起一样。因此，当外界光线照射时，会产生光的干扰，反射出灿烂的阳光，这就是珍珠层。

贝壳是软体动物的“盔甲”。当外敌入侵时，他们会立即把他们柔软细腻的身体缩回壳里。不管他们多么凶猛，都没有办法对付他们。贝壳也是软体动物生活的“房间”，也是保暖的“衣服”。柔软的身体藏在“卧室”后，即使在寒冷的冬季，它们也很安全。

功能强大的节肢动物外骨骼

然而，在动物界，真正的分节甲壳类“外骨骼”是占动物总数80%以上的节肢动物。只有它们的外骨骼才能真正发挥攻击和防御的功能，使节肢动物成为无脊椎动物中最成功的类群。

节肢动物的外骨骼是由活细胞分泌的。它的结构大多是由非常复杂的几丁质和各种有机、无机物质组成，这些物质非常坚硬。

虾和蟹的爪子不仅能碾碎非常坚硬的食物，而且一种蜂通过其坚硬而锋利的产卵器，也能将树干内的木头刺入几厘米深。之所以把这种结构称为外骨骼而不是皮肤，不仅是因为上皮细胞分泌的表皮覆盖了全身，还因为它确实和脊椎动物的内骨骼一样。不仅构成这样那样的关节，而且肌肉通过关节和外骨骼参与动物的许多功能，如运动、进食等。

同时，它还支持和保护身体，防止身体内部水分蒸发的功能，对陆上和空中的节肢动物的生活非常重要。由于身体的分节、分区，外骨骼也必然是按节排列，即每个体节包括一套骨板，即一个背板、两个侧板及一个腹板。分离的骨板使身体易于运动。同时，节与节之间表皮层极薄形成节问膜，使体节相连及易于弯曲，静止时折叠在前一体节内。

不过，因为节肢动物的外骨骼大部分是由已经死亡的、一旦形成以后便不能继续生长的几丁质甲壳所构成，所以，其肌肉或内部器官即使再生长也只能长到甲壳所限定的范围以内。几丁质的甲壳就如同古代勇士所披挂的铠甲，只能在某些部位可以活动。这种“铠甲”虽然保护了节肢动物的身体，但也大大限制了它们的生长。如果甲壳内部的空间已经长满而动物的生长尚未完成，它就必须将甲壳裂开，再换一套新的“铠甲？。由于形成新的甲壳需耗去动物体内许多营养，脱去旧甲壳又要花费不少的精力，加上新形成的甲壳又嫩又软，所以这时的节肢动物往往因失去抵御能力而成为其他动物甚至包括其同类的美味佳肴。等到甲壳遇空气氧化而变硬之后，昆虫便可振翅高飞，而虾、蟹类也可挥舞其吓人的大螯耀武扬威了。节肢动物就是不断地重复着这种由激素控制的、定期的脱亮生长方式直至完全长成。

在节肢动物中，还有一种穿着两层“盔甲”的“怪物”——寄居蟹。它看起来像一只螃蟹又像一只虾。它背上有壳，头上和胸部也有刺。原来寄居蟹的甲壳没有普通蟹坚硬，尤其是腹部柔软。这样，只有当它不断地找到适合自己身体的螺旋壳，穿透它并生活在其中时，它才有一种“安全感”。

由于外骨骼有如此之多的好处，所以人们已经不仅仅满足于把它们当作是只有在科幻影片和小说中才有的东西，二是积极探索其在仿生学方面的应用价值。目前，-国外已发明了钢铁侠式的人体外骨骼，可以辅助实施物理治疗，称为“机器人服混合辅助肢”。机器“XOS”，可以戴在人的手臂、胳膊和背部。它能让使用者数百次举起约90千克的重物也丝毫不觉得累，而且非常便捷，使用者仍能自如爬楼梯或踢足球。

此外，科学家正在着手研制这种能够帮助人类负重的、“可以穿戴”的机器人，称为“外骨骼系统”，希望在不远的将来穿在士兵的身上。这种外骨骼服装能够让普通士兵拥有机器人般的力量和耐力，手提庞大的自动大炮参加战斗，就如一个人扛步枪般轻松，不仅可以携带重型装备参加行动，帮助实施救援任务、工程作业、受伤康复等，甚至能够具备“独自作战”的能力。