网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

研究蜗牛粘液,发了一篇Science!

0
分享至

蜗牛黏液为何既能润滑又能粘牢?关键藏在胶原蛋白和“钙开关”中

黏液广泛存在于动物体内,能够润滑和保护呼吸道、消化道等组织。传统观点认为,黏液的流动性主要来自黏蛋白,但这套解释很难回答另一个问题:为什么一些动物排出的黏液不仅不会轻易流散,反而能够变成坚韧的胶、稳定的泡沫,甚至坚硬的保护膜?以陆生蜗牛为例,它既要依靠黏液顺畅爬行,又要用黏液固定身体、抵御捕食者和封闭壳口。这些功能甚至彼此矛盾,而蜗牛如何用有限的原料制造出性质截然不同的材料,一直缺少系统解释。

近日,德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所Franziska Jehle团队以花园带蜗牛Cepaea nemoralis为对象,对其产生的五种黏液材料进行了蛋白质组学、显微结构、元素分析和流变学研究。结果发现,VI型胶原蛋白是支撑这些黏液材料的主要结构组分,而蜗牛在分泌过程中加入的无定形碳酸钙,则像一个可调控的“钙库”:在湿态黏液中释放钙离子、促进网络交联,在干态材料中又可转化为方解石,实现矿物增强。通过改变蛋白质含量、钙的存在形式以及加工方式,蜗牛便能让同一类黏液在润滑、粘附、防护和防御等功能之间切换。相关成果以“Calcium tunes snail mucus–based materials to multiple functions”发表在《Science》上。


同一只蜗牛,制造五种完全不同的黏液材料

研究人员首先梳理了这种蜗牛的五类黏液。最常见的是足部下方分泌的润滑黏液,它铺在身体与地面之间,使蜗牛能够缓慢向前移动;受到剪切时,这种黏液容易流动,而在静止状态下又表现得接近固体。干燥以后,润滑黏液还会留下明显的纤维状结构(图1a、图1b)。当蜗牛需要停留在树枝、墙面等位置时,外套膜组织会分泌一层透明的粘附黏液,将壳口边缘牢牢固定在基底上,并保留一个矿化的呼吸孔。这层薄膜在光线下呈现出虹彩色泽(图1c、图1d)。冬眠或进入休眠状态时,蜗牛还会制造“厣膜”,用一层含有方解石的黏液封闭整个壳口,以减少水分流失并抵御外界侵害(图1e、图1f)。受到刺激时,它又会迅速释放黄色黏稠黏液和泡沫状黏液:前者延展性强、不易被扯断,后者则可能通过包裹或冲走小型捕食者发挥防御作用(图1g—图1j)。由此可见,蜗牛黏液并不是一种固定配方的“体液”,而是一套高度分化的生物材料体系。问题也随之而来:这些外观和功能差异巨大的材料,究竟使用了哪些不同的结构单元?


图1:花园带蜗牛产生的五种黏液材料,包括用于爬行的润滑黏液、固定身体的粘附黏液、冬眠封口的厣膜,以及黄色黏液和泡沫黏液两类防御材料。

配方相近,比例不同:VI型胶原蛋白成为关键骨架

蛋白质组学分析显示,五种黏液中包含的结构蛋白总体较为相似,真正拉开差距的,是各种蛋白质的相对含量(图2a)。黄色黏液和泡沫黏液虽然外形完全不同,但蛋白质组成十分接近;粘附黏液与厣膜也表现出较高相似性;润滑黏液则单独聚为一类,与其他材料差异明显。进一步分析发现,黄色黏液的蛋白质浓度约为4%,泡沫黏液约为0.6%,润滑黏液仅约为0.3%。热图显示,防御黏液中包含较多VI型胶原蛋白、基质蛋白、腱生蛋白和软骨基质蛋白等组分,而粘附黏液和厣膜中则富集钙结合蛋白、腱生蛋白和酪氨酸酶(图2b)。其中,VI型胶原蛋白几乎贯穿整个体系,成为研究人员锁定的主要结构骨架。偏光显微观察进一步展示了胶原网络在不同黏液中的分布。润滑黏液中只有少量区域呈现各向异性,而粘附黏液和黄色黏液中可以看到大面积双折射结构,说明其中形成了更发达的有序纤维网络(图2c—图2e)。在泡沫黏液中,胶原主要分布于气泡界面,像加固钢筋一样稳定泡沫壁(图2f);在厣膜中,胶原纤维则包裹并连接矿物颗粒(图2g)。Sirius red染色后,润滑、粘附和黄色黏液中的纤维结构均呈现鲜红色,再次证实VI型胶原蛋白的广泛存在(图2h—图2j)。


图2:五种黏液的蛋白质组成及VI型胶原蛋白分布。不同黏液所含结构蛋白较为相似,但含量差异明显;显微观察和组织染色证实VI型胶原蛋白构成主要纤维骨架。

从纤维网络到矿化层,结构加工让相似配方走向不同功能

研究人员随后利用聚焦离子束扫描电镜重建了五种黏液的三维结构。润滑黏液呈现出典型的两相结构:纤维网络分散在连续基质中,同时伴有富钙颗粒(图3a、图3b)。这种相对疏松的结构既能维持一定黏聚力,又允许网络在外力作用下重新排列,因此适合运动润滑。粘附黏液则由多层结构叠加而成,其中既有平滑柔软的层,也有粗糙、可能发生矿化的增强层(图3c、图3d)。这种“软硬交替”的构造既能承受蜗牛自身重量,又不会像完全矿化的材料那样容易脆裂。黄色黏液内部存在多个物相,并伴随无定形碳酸钙颗粒(图3e、图3f);泡沫黏液的气泡表面则形成约5微米厚的致密层(图3g、图3h)。到了厣膜中,方解石被嵌入厚黏液层,并由纤维结构相互连接,形成真正的有机—无机复合材料(图3i、图3j)。钙又是从哪里来的?研究人员在蜗牛足部组织中发现了专门储存钙的腺体,内部密集排列着尺寸不同的球形无定形碳酸钙颗粒(图3k、图3l)。无定形碳酸钙没有固定晶体形状、溶解度较高,非常适合作为临时钙源。当它与黏液一起分泌后,可以根据环境和材料需求走向两条不同路径:一条是释放Ca²⁺,在带负电的蛋白质和多糖之间形成交联;另一条是在厣膜等干态材料中逐渐转化为有取向的方解石结构(图3m—图3p)。X射线荧光和X射线衍射结果进一步证明,润滑黏液、黄色黏液和泡沫黏液中的钙主要以非晶态颗粒或离子形式存在,即使干燥也没有形成明显方解石;粘附黏液只有呼吸孔附近出现少量方解石;厣膜中的高钙区域则与方解石衍射峰高度对应(图3q)。蜗牛并不是简单地向所有黏液中加入矿物,而是在主动控制钙究竟用于“交联软材料”,还是用于“矿化硬材料”。


图3:五种黏液的三维微观结构和钙的存在形式。无定形碳酸钙储存在蜗牛腺体中,分泌后既可作为钙离子来源,也可转化为方解石,用于强化粘附膜和厣膜。

蛋白质决定网络强度,钙决定交联与矿化方向

大振幅振荡剪切测试将这种差异转化成了直观的力学数据。润滑黏液的最大应力响应约为16帕,整体更接近容易流动的黏弹性液体(图4a);泡沫黏液约为17帕,其弹性强度与润滑黏液接近,但依靠气泡界面的致密胶原层形成稳定泡沫(图4b);黄色黏液的最大应力响应则达到约140帕,并在大变形下表现出显著的应变硬化,说明内部存在能够被不断拉伸和加固的强韧网络(图4c)。在此基础上,研究人员提出了蜗牛黏液材料的调控模型(图4d)。首先,蛋白质总量以及VI型胶原蛋白、细胞外基质蛋白和钙结合蛋白的含量,决定网络密度和基础力学性能。黄色黏液蛋白质含量远高于润滑和泡沫黏液,因此能够形成最强的交联网络。其次,钙的状态决定材料强化路径:在湿态黏液中,Ca²⁺连接蛋白质和多糖;在粘附膜和厣膜中,无定形碳酸钙进一步转化为方解石,使材料变硬。最后,加工过程同样不可忽视——蜗牛向黏液中鼓入空气形成泡沫,又通过逐层分泌构筑软硬交替的粘附膜。即使原料配方相似,不同的“制造工艺”也能带来完全不同的宏观功能。


图4:润滑、泡沫和黄色黏液的非线性流变性能及材料调控模型。蛋白质含量决定网络强度,钙离子调节交联,无定形碳酸钙向方解石转化则实现矿物增强。

小结

这项研究揭示了一种精巧的天然材料设计策略:蜗牛并不需要为每种功能重新合成一套全新的分子,而是以VI型胶原蛋白和细胞外基质蛋白作为基础骨架,以无定形碳酸钙作为可转换的钙源,再通过比例调节、离子交联、受控矿化和层级加工,制造出从流动润滑剂到坚韧胶黏剂、稳定泡沫和矿化保护膜的一整套材料。未来,这种“少量组分、多级调控”的思路有望为可持续胶黏剂、创伤修复、药物递送、泡沫稳定以及软硬结合复合材料的设计提供新的仿生启发。


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
田园式穿搭,顺便展示一下丰收的成果

田园式穿搭,顺便展示一下丰收的成果

飛尚日记
2026-08-09 07:39:08
首播5分钟狂揽700万打赏,王思聪坦言月零花钱数亿劝网友理性停刷

首播5分钟狂揽700万打赏,王思聪坦言月零花钱数亿劝网友理性停刷

动物奇奇怪怪
2026-08-09 00:48:19
朝核泄漏有多么可怕?近三成离朝人员染色体异常!朝核设施周边到底发生了什么?

朝核泄漏有多么可怕?近三成离朝人员染色体异常!朝核设施周边到底发生了什么?

西门老爹
2026-08-09 14:21:37
22岁程梦圆失联新进展,最后位置指向张良庙!真相或即将揭开

22岁程梦圆失联新进展,最后位置指向张良庙!真相或即将揭开

小鋭有话说
2026-08-09 13:00:50
8月9日,建行储蓄利率更新!新增五年大额存单,26万存两年多少利息

8月9日,建行储蓄利率更新!新增五年大额存单,26万存两年多少利息

王五说说看
2026-08-09 10:00:13
你无意中看过哪些不该看的东西?网友:明显是三故意留下的

你无意中看过哪些不该看的东西?网友:明显是三故意留下的

解读热点事件
2026-08-08 00:05:22
WTT横滨赛8月9日收官:决出最后两项冠军!国乒女单再战张本美和

WTT横滨赛8月9日收官:决出最后两项冠军!国乒女单再战张本美和

顺静自然
2026-08-09 10:23:16
女性长期使用情趣用品,身体可能出现哪些不适?不少人缺乏认知

女性长期使用情趣用品,身体可能出现哪些不适?不少人缺乏认知

看世界的人
2026-08-07 09:22:50
“不想灭亡,就别开战!”多家美国媒体警告,中美一旦爆发冲突,中国将会“毁灭性失败”。而此前,美国空军高层也早已放下狠话

“不想灭亡,就别开战!”多家美国媒体警告,中美一旦爆发冲突,中国将会“毁灭性失败”。而此前,美国空军高层也早已放下狠话

人生录
2026-08-09 00:05:16
斯诺克决出5席16强!吴宜泽带领中国3将晋级,丁俊晖马叔1轮游!

斯诺克决出5席16强!吴宜泽带领中国3将晋级,丁俊晖马叔1轮游!

刘姚尧的文字城堡
2026-08-09 07:20:37
新婚夜,我发现老公身上有块胎记,竟和我失散多年的哥哥一样

新婚夜,我发现老公身上有块胎记,竟和我失散多年的哥哥一样

有态度网友19Dsym
2026-08-09 09:30:22
陈幸同4-1淘汰蒯曼,晋级WTT横滨冠军赛女单决赛,将战日本名将

陈幸同4-1淘汰蒯曼,晋级WTT横滨冠军赛女单决赛,将战日本名将

侧身凌空斩
2026-08-09 12:31:37
英媒大胆预测2030年海军排名,俄直接跌出前三名,中国不是第二名

英媒大胆预测2030年海军排名,俄直接跌出前三名,中国不是第二名

霁寒飘雪
2026-08-08 14:15:50
72小时“大撤退”!美英法德连夜拆光爱国者,库尔德彻底被卖?

72小时“大撤退”!美英法德连夜拆光爱国者,库尔德彻底被卖?

阿器谈史
2026-08-09 04:04:58
费大厨“塌房”了?

费大厨“塌房”了?

北青网-北京青年报
2026-08-08 20:28:25
感动!4年1.2亿!决定了,降薪留队争冠!

感动!4年1.2亿!决定了,降薪留队争冠!

左右为篮
2026-08-09 11:34:50
500人0人嫁出:男人掀桌不玩了,舔狗经济彻底崩盘

500人0人嫁出:男人掀桌不玩了,舔狗经济彻底崩盘

娱乐洞察点点
2026-08-09 05:30:58
下面好疼,放过我!儿媳被公公侵犯6年,儿子撞破奸情怒杀父亲

下面好疼,放过我!儿媳被公公侵犯6年,儿子撞破奸情怒杀父亲

易玄
2026-08-09 10:55:11
统一有最佳方案,就在昨天,国民党大佬在京,亮明郑丽文两岸路线

统一有最佳方案,就在昨天,国民党大佬在京,亮明郑丽文两岸路线

凡知
2026-08-09 11:18:25
68岁大爷被打!凶手下死手,倒地抽搐仍不放过,网友却直呼打的好

68岁大爷被打!凶手下死手,倒地抽搐仍不放过,网友却直呼打的好

云景侃记
2026-08-08 09:41:12
2026-08-09 15:15:00
高分子科学前沿 incentive-icons
高分子科学前沿
高分子领域第一自媒体
16600文章数 66934关注度
往期回顾 全部

科技要闻

苹果官网:Mac电脑可配合苹果智能使用千问

头条要闻

儿子去世后 父母要求对孙子进行亲子鉴定遭儿媳拒绝

头条要闻

儿子去世后 父母要求对孙子进行亲子鉴定遭儿媳拒绝

体育要闻

2-1击败欧联球队!皇马热身赛3胜1平

娱乐要闻

陈冲自曝19岁被侵犯!隐忍43年才开口

财经要闻

伯克希尔罕见爆买200亿美元股票

汽车要闻

增配激光雷达 全新一代smart精灵1号限时权益价14.99万起

态度原创

亲子
本地
数码
房产
公开课

亲子要闻

1米6以下孩子有救了!医学专家揭秘“遗传发挥”的真相!从矮小症到180cm就差这一步!

本地新闻

课本里的童年,绍兴正上演

数码要闻

技嘉推出小雕360系列一体式水冷散热器

房产要闻

一手信息流出!仁恒雲启西岸开盘,爆卖110套!

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版