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還在問(wèn)先有雞還是先有蛋?可知雞蛋殼都已在體現(xiàn)精心的設(shè)計(jì)!

 海上嘉蘭 2022-06-15 發(fā)布于上海



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數(shù)千年來(lái),不斷有人問(wèn):先有雞還是先有蛋?1 但是,讀過(guò)創(chuàng)|世|記的人就知道是先有雞(更準(zhǔn)確地說(shuō),是陸地家禽類),它們?cè)趧?chuàng)世第五天被創(chuàng)造出來(lái),隨后產(chǎn)下一顆蛋。

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▲ 陸地家禽類在第5天被造

知名進(jìn)化論者大衛(wèi)·愛(ài)登堡(David Attenborough)否認(rèn)蛋的設(shè)計(jì)源自上¨帝,他將蛋描述為“大自然的奇跡”,稱之為“卓越的生命支持系統(tǒng)”。2 蛋殼不僅保護(hù)蛋中發(fā)育的雞仔,還充當(dāng)半透膜,讓空氣和水分以受控方式通過(guò)約 7000 個(gè)孔進(jìn)入蛋殼。這樣,殼內(nèi)的雞仔既能夠呼吸,又能避免因凈失水而干死。3

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▲ 雞蛋里的雞仔

現(xiàn)在,首個(gè)研究家養(yǎng)雞(Gallus gallus domesticus)成形蛋殼的納米結(jié)構(gòu)詳細(xì)報(bào)告已經(jīng)發(fā)表,向人們展示了蛋殼在形成、功能和解體方面的卓越設(shè)計(jì)。4

加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員通過(guò)精確切割蛋殼薄片發(fā)現(xiàn):

決定蛋殼強(qiáng)度的一個(gè)因素是蛋殼有一種與骨橋蛋白相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)礦物,骨橋蛋白是一種蛋殼蛋白。5 

他們發(fā)現(xiàn)骨橋蛋白是一種黏合劑,有助于促進(jìn)蛋殼上層結(jié)構(gòu)的形成、引導(dǎo)框架的搭建并控制蛋殼中碳酸鈣的排列。蛋殼外層的骨橋蛋白含量很高,這意味著結(jié)構(gòu)更密實(shí)。這樣,在雞仔準(zhǔn)備孵化時(shí),硬殼的外部將一直起到保護(hù)作用。但是,在蛋殼內(nèi)層,骨橋蛋白的含量較低。這意味著納米結(jié)構(gòu)更大、排列更松散,從而使碳酸鈣更易通過(guò),內(nèi)層更易解體。

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▲ 為了展示骨橋蛋白如何影響碳酸鈣納米結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)在有骨橋蛋白的環(huán)境中培育方解石晶體。(點(diǎn)擊可查看大圖)
圖 A、B 和 C 分別表示在合成碳酸鈣上不添加骨橋蛋白、添加低濃度骨橋蛋白和高濃度骨橋蛋白的情況。很明顯,在添加低濃度骨橋蛋白后形成的合成方解石中測(cè)得的納米結(jié)構(gòu)與蛋殼內(nèi)部區(qū)域的納米結(jié)構(gòu)大小類似,而添加更高濃度的骨橋蛋白后所得到的納米結(jié)構(gòu)的大小類似于蛋殼的外部。
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解體的兩個(gè)原因

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孵化是雞蛋生命的巔峰,它的納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出絕妙的雙重功能設(shè)計(jì),專為孵化雞仔。蛋殼內(nèi)層隨著內(nèi)部胚胎成長(zhǎng)和發(fā)育而變化,發(fā)育中的雞仔需要鈣質(zhì)促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)成形,溶解蛋殼的最內(nèi)層就可以“補(bǔ)鈣”。

除了幫助雞仔骨骼發(fā)育,這種解體還可從內(nèi)部削弱蛋殼,以便雞仔發(fā)育成熟(一般為 21 天)時(shí)能夠破殼而出。

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▲ 破殼

從納米結(jié)構(gòu)級(jí)別研究此過(guò)程,有助于更全面地了解蛋殼的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)提到,這一過(guò)程既可以保持整體殼層結(jié)構(gòu),又能適當(dāng)變薄,降低強(qiáng)度,此特點(diǎn)提供了最終需要的條件,讓雞仔能夠在孵化過(guò)程中成功以微弱之力啄破蛋殼。

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潛在好處

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這些有關(guān)蛋殼納米結(jié)構(gòu)的最新研究成果在業(yè)內(nèi)受到高度評(píng)價(jià),既有助于設(shè)計(jì)和強(qiáng)化仿生材料,還有助于了解生物結(jié)構(gòu)中的受控溶解性。而且,這些研究成果對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)尤其重要,因?yàn)閷?duì)于養(yǎng)雞業(yè)來(lái)說(shuō),蛋殼質(zhì)量是一個(gè)要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題,破碎或有裂紋(可能遭微生物侵入)6 的蛋殼達(dá)到 13% 至 20%。論文作者之一馬可·邁克菲(Marc McKee)博士解釋說(shuō):

“了解礦物納米結(jié)構(gòu)如何影響蛋殼強(qiáng)度,就可以通過(guò)篩選產(chǎn)蛋雞的遺傳特性來(lái)持續(xù)獲得更結(jié)實(shí)的雞蛋,從而提高食品安全?!?sup>5
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用進(jìn)化論蒙混過(guò)關(guān)

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盡管雞蛋具有相當(dāng)明顯的設(shè)計(jì)特點(diǎn),并且模仿這些特點(diǎn)也具有潛在應(yīng)用價(jià)值,研究人員還是如往常一樣向盲目地進(jìn)化過(guò)程表達(dá)敬意。邁克菲說(shuō):

“想一想看,我們應(yīng)該在制作材料時(shí)從大自然和生物汲取靈感,因?yàn)槟阃晟扑墓Ψ颍獡魯v經(jīng)幾億年的進(jìn)化,真的太難了?!?sup>7 

然而,論文在解釋如此精妙的“生物礦化孵化倉(cāng)”的形成方式時(shí),并沒(méi)有提及這是如何在億萬(wàn)年的過(guò)程一點(diǎn)一點(diǎn)進(jìn)化形成的。好像魔術(shù)棒一揮,這么寫(xiě)下幾個(gè)字,就成了! 

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▲ 雞不是通過(guò)進(jìn)化而來(lái)

但是,這個(gè)觀點(diǎn)——雞蛋在數(shù)百萬(wàn)年間靠隨機(jī)演變和自然選擇的作用得到完善——也存在許多問(wèn)題。蛋要發(fā)育成形,就需要在發(fā)育的不同階段按不同方式在相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械屬性上達(dá)到平衡。如果蛋殼外部不夠堅(jiān)固,將無(wú)法保護(hù)雞仔。如果內(nèi)部無(wú)法溶解,則無(wú)法獲得足夠的鈣質(zhì)促進(jìn)骨骼生長(zhǎng),雞仔也無(wú)法啄破蛋殼孵化出來(lái)。如果蛋殼變薄的過(guò)程太快,則會(huì)降低其保護(hù)功能。雞的祖先是如何經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的繁殖,才形成如今這種據(jù)稱能夠確保下一代雞仔成活的完美過(guò)程?

此處討論的研究?jī)H觸及與雞蛋的設(shè)計(jì)和功能相關(guān)的許多機(jī)制淺層內(nèi)容,包括其它蛋白質(zhì),而對(duì)于這些蛋白質(zhì),我們?nèi)匀恢跎?。這種“上佳蛋”設(shè)計(jì)不能歸功于進(jìn)化,8 而應(yīng)歸功于:

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蛋殼與細(xì)齒

■ 詹妮·阿姆斯 (Jenny Arms)

在蛋殼諸多目的明確的絕佳設(shè)計(jì)之外,還有一個(gè)能讓雞仔破殼而出,走向自由時(shí)所需要的精妙工具——“蛋齒”。這是雞仔上喙尖上突出的一個(gè)尖尖,在孵化期第七日開(kāi)始發(fā)育。

在孵化之前約三天,不斷生長(zhǎng)的雞仔很難再通過(guò)蛋殼上的孔獲得足夠的氧氣,因此,它就用“長(zhǎng)了牙齒”的喙劃破蛋殼鈍端的膜,從膜和蛋殼間形成的氣囊中獲取空氣。氣囊中存儲(chǔ)的空氣恰好能夠補(bǔ)足接下來(lái)的“破殼”任務(wù)所需的氧氣。

時(shí)間到了,雞仔脖子后的肌肉開(kāi)始痙攣,促使它們用自己的細(xì)蛋齒工具弱弱地啄擊外膜和蛋殼。一次又一次,數(shù)千次的嘗試,逆時(shí)針順著蛋殼鈍端轉(zhuǎn)一圈。這是一項(xiàng)無(wú)比艱巨的任務(wù),在高強(qiáng)度的啄擊活動(dòng)之間往往需要數(shù)小時(shí)的休息。

最終,它做到了!外面的空氣真新鮮啊,它成功了!隨著用力一踹,雞仔孵出來(lái)了——精疲力盡、渾身粘乎乎?!暗褒X”將在隨后逐漸干枯并掉落,結(jié)束這一獨(dú)特且意義的非凡過(guò)程,而完成這一切的相關(guān)信息始終都印刻在雞的基因中。




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作者:菲利普·羅賓遜 (Philip Robinson)

文章摘自《創(chuàng)造》40(4),發(fā)表于2019年12月

原標(biāo)題:上佳蛋——蛋殼納米結(jié)構(gòu)體現(xiàn)精心的設(shè)計(jì)

參考資料與圖片出處


1. Fabry, M..Now you know: which came first, the chicken or the egg?, time.com, 21 September 2016.
2. Attenborough, D.,Attenborough’s Wonder of Eggs,2018 年 3 月 31 日在 BBC 2 上播出。
3. Science Buddies, Porous science: How does a developing chick breathe inside its egg shell? scientificamerican.com, 3 May 2012.
4. Athanasiadou, D., and 14 others, Nanostructure, osteopontin, and mechanical properties of calcitic avian eggshell, Science Advances 4(3) eaar3219, 2018 | doi: 10.1126/sciadv.aar3219.
5. McGill University, Cracking eggshell nanostructure: New discovery could have important implications for food safety, phys.org, 30 March 2018.
6. Chien, Y.C., and 3 others, Ultrastructural matrix-mineral relationships in avian eggshell, and effects of osteopontin on calcite growth in vitro, J. Structural Biology, 163(1):84–99, 2008 | doi: 10.1016/j.jsb.2008.04.008.
7. PDavis, N., Scientists solve eggshell mystery of how chicks hatch, theguardian.com, 30 March 2018.
8. Catchpoole, D., What’s in an Egg? Unscrambling the mysteries, Creation 24(3):41–43, 2002; creation.com/egg.
9. 插圖、封面:網(wǎng)絡(luò)圖片。

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