第二章 柔軟而強韌──海參和魷魚給外科植入物的靈感（節錄）
一個星期四的晚上，我在商店街的一條人行道上徘徊。這裡是洛杉磯市中心人口稠密的熱鬧社區，想吃韓國城中的這家韓國海鮮連鎖店你得排隊等上三十分鐘，它亮起的招牌上寫著方方正正的韓文，空氣中則瀰漫著陣陣菸味。
我韓裔美籍的衝浪友人先前告訴我，Hwal Uh Kwang Jang 這餐廳名的意思大約是「活魚廣場」，讓人有一種農場／現撈直送的感覺。我們正是衝著食材新鮮而來的──活章魚吞下口時還吸著你的口腔壁；你在大快朵頤時，被緊緊綁住大鉗的龍蝦還顫動著觸鬚呢。
我和我朋友史瓦蒂（Swati）和約翰來這裡有個任務：嚐嚐生海參。對我來說，這是很大膽的冒險。我熱愛日式壽司，不過迴轉壽司裡沾上美乃滋的鮭魚和青甘更適合我的風格。
海參擱在一層碎冰上、裝在木盒裡送上來的時候，我很慶幸他們只給了我們半份。海參是黑紫褐色，呈現晶亮的果凍狀，和旁邊整齊擺在海鞘殼上的鮮橙色海鞘肉，形成強烈的對比。海參塊不像一般生魚片那樣切得平整好看（我一直覺得切得整整齊齊的，可以消除人們心中吃下不明生食的恐懼），它們看起來像碎冰上擱著一個個近似圓形的塊狀，有些還黏在一起。
來吧。我拿起自己的筷子，設法夾起一塊滑溜溜的海參放進嘴裡。那東西軟軟的外層有點黏黏糊糊的，而且很鹹很鹹──好像浸過重鹹的高湯。我終於咬下去，結果大吃一驚──咬下去嘎吱嘎吱作響。海參很硬，幾乎發出清脆的啪喳聲，像蔬菜一樣。風味和口感的結合莫名地討喜。
我思考著自己曾經吃過什麼類似口感的東西，然後我想到了雞軟骨，不過雞軟骨嚐起來比較軟，也比較好咬碎。
約翰問，這是海參的什麼部位。女服務生禮貌地微笑──這裡跟韓國城商店街的許多連鎖店一樣，通常用不上英文。約翰用手比劃了幾次切割的動作，女服務生點點頭，優雅地比手畫腳描述整個過程──先是一刀縱劃過海參，把海參像書一樣剖開，清掉內臟，然後取用內部剩下的部分。
最後的動作確認了我們吃的正是我想來這裡試吃的東西：海參皮的內層，這層物質有著科學家珍視的奇異特質，也是韓國人眼中的珍饈。
在海裡人人都等著咬你一口。鹹鹹的海水中充斥著各種身軀柔軟的美味生物，從蛤蜊到鮭魚，不一而足。魚類和其他有著硬骨骼（hard skeletons）的動物為了捕捉食物，可是全副武裝，還有牢牢嵌在顎骨上的牙齒。為了保護自己不被攻擊，像淡菜和海螺之類的動物，則用殼來保護自己，築起（幾乎）堅不可摧的堡壘。
但是並非所有海中居民都有殼或牙齒可用，有些動物好像完全沒參與演化的軍備競賽，例如海參和魷魚。牠們柔軟的可憐身體似乎裝備不足，無法抵擋攻擊──然而牠們仍然設法存活了下來，在全世界的海洋中欣欣向榮。那是因為這些動物（不論是掠食者或獵物）都找到聰明的辦法，在牠們貌似柔軟的身體中加進堅硬的要素。
研究軟性機器人（soft robotics）的科學家和進行外科手術的醫生一向忽略了海參的特長──牠是由硬過渡到軟的大師。科學家（和醫生）需要易彎材質提供柔韌性，但也需要堅硬材質來撐住結構。這種「聰明」的材質能改革外科手術的作法，為截肢者開發出更好的義肢，或是做出更安全、不再需要定期更換的腦部植入物。
這一章的重點會放在那些能在複雜的液態環境中由硬過渡到軟的動物，討論牠們是如何辦到的。這是奈米科技中一項了不起的成就，生物利用這種技術已有數百萬年的歷史，可望幫助醫生和生物醫學工程師克服一個重大問題：如何打造出能植入又溼又軟又鹹的人體環境，而且不會造成長期損害的新裝置。
＊＊＊
海參實在算不上是海洋世界的選美皇后。海參的英文sea cucumber字面的意思是「海黃瓜」，黃瓜這種長條形的蔬菜有股清新的氣息和清脆的風味，但海參看起來比較像酸黃瓜長了難以啟齒的皮膚病。海參會沿著砂質海底緩慢前進；不同種的海參外貌也有差異，有的看起來像是巨大的海蛞蝓（但是有高高隆起的脊、疙疙瘩瘩，甚至有刺）。這種動物沒有腦子──只有一圈神經從口腔周圍延伸到嘴部附近的觸手，也蔓延到全身。海參能伸出長長的卷鬚（tendrils，這是海參和海星共有的管足的改良版），吞下海床上的碎屑有機物。有些種類的海參，攝食用的管足可能像樹枝或神經元的精緻末梢一樣華麗又好看。
海參會伸出攝食觸手去捕捉水中的微粒，或是把攝食觸手插進砂裡找東西吃，然後排泄出乾淨的海砂。海參吃的是垃圾──或許正因如此，所以海參才有一股強烈的海味，使之成為中國和韓國等地廣受歡迎的珍饈。
海參是「底層攝食者」（bottom-feeder）──這詞也用來形容狗仔隊、發薪日放債人或專愛慫恿事故受害者興訟的律師，所以不大討喜。不過這詞的延伸用法其實是侮辱了各地的正牌底層攝食者。海參確實吃各種屍體和排泄物，但這並不是壞事，事實上，牠等於是為全球海洋提供了重要的清潔服務。海參清除水中、基質裡的廢物，然後拉出「乾淨」細緻的砂質底土。因此海參可說是海裡的蚯蚓，回收正在分解的物質，替海床鬆土。
近年來人們對海參的需求量增加，導致許多地方的海參數量減少，這也意謂著水中未消化的養分變多了。於是，海水的澄清度變差了──對於不得不游過渾濁水域的海生動物而言，大概就像吸進上海的霧霾一樣「健康」。這些額外的養分可能引發藻華現象，耗盡水中所有的氧氣，使魚類和其他海洋生物呼吸不到空氣而大量死亡。海床少了海參翻土，也會硬化，使得其他底棲生物無法在海床生存。
海參確實是海洋的工友。不過工友也常被稱為「管理員」，而海參確實有這樣的功能，會照顧牠們所在的海域。
可惜大自然裡並沒有「感恩」這回事。海參提供的服務雖然能嘉惠牠們的海中鄰居，但許多海洋居民卻視這種行動緩慢的柔軟生物為方便的速食。海參有幾種防禦獵食者的機制；有些種類的海參會從肛門噴出呼吸器官，讓呼吸器官在海水中漂盪；這些黏稠的管狀物覆著了類似肥皂的化學物質，對其他動物有害。不過海參終究不能每次覺得受到威脅就把肺拉出來，呼吸器官最多需要幾星期才能重新長回來。有些種類的海參會將自己埋進沙子裡，躲避掠食者──不過這過程很花時間，而且海參也無法永遠埋在沙裡。
海星和海膽是海參的親戚，但海參和牠們不同，海參生活在一個殘酷無情的世界，卻嚴重缺乏自衛能力。海星靠著骨片（ossicles，由碳酸鈣形成的骨質盤狀物）來保護自己，所以摸起來硬硬的。海膽的骨片融合在一起，形成尖銳的刺棘，警告掠食者離牠們遠一點。但海參的骨片似乎縮小得幾乎毫無用處。縮小的骨片讓海參可以擠進岩石裡安全的小角落或珊瑚的縫隙裡──牠幾乎可以把身體變得像液體那般擠進洞裡──但這種獨特的性質卻不大能抵擋尖牙利齒的攻擊。
幸虧海參有種隱藏的超能力。平常，當海參愜意地吞食海中碎屑或在礁岩上邊前進邊排泄時，這種能力並不明顯。但受到威脅（而且拉出肺也無效）的時候，海參會變硬，從玩具黏土那樣的稠度變成像硬梆梆的塑膠。這種軟體動物怎麼能用縮小的方解石骨片達到這種驚人成就，讓人百思不得其解。這問題困擾了研究人員數十年，因為海參用來適應環境的策略和牠們知名的棘皮動物親戚完全不同。
海參仰仗的不是牠們已退化的方解石骨片，而是那埋在表皮底下的細小膠原纖維網絡（也就是原纖維〔fibril〕）。這些原纖維彼此連結，形成遍布全身的支架，具有保護作用，就像一件皮膚甲衣。海參在柔軟的狀態時，任何施加於單一原纖維的壓力都能迅速傳送到柔軟的基質中，因此利器（例如牙齒）輕易就能刺穿。但原纖維彼此連結在一起之後，海參皮就有了結構和力量。就像建築的樑木──搖動一根樑木，所有的樑木都會動搖，因為力量會在相鄰的柱子之間傳遞。然而，雖然所有的樑木都會搖動，但結構本身不會倒塌。這些堅硬的單元連結在一起時，壓力會在結構中傳遞，安全地輸導開來。海參皮也是如此，膠原原纖維連接在一起時，會產生一種結構，可以安全轉移壓力又不會折斷或破裂。
但海參是怎麼辦到的？這個題目令許多海洋生物學家著迷，不過在材料科學界好像很少受到矚目，直到……凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）的一組旱鴨子研究人員在著名的《科學》期刊（Science）上發表了一篇論文，展示他們如何受到這種古怪的海生動物啟發，發展出一種可以切換軟硬狀態的材質。
史都華．羅文（Stuart Rowan）是凱斯西儲大學的教授，對他而言，這個研究計畫是個開心的意外。在那之前，他一直是高分子化學家，專門研究不同材質的工業應用，以及其他無明確目標的純理論研究。羅文成長於格拉斯哥（Glasgow）五十六公里外的特倫鎮（Troon），常在住家附近、蘇格蘭西海岸外的礁岩池探險。那些礁岩池裡充滿了蝦、蟹、魚和螺旋狀的螺殼，放眼所見盡是琳瑯滿目的大地色系，從海葵的紫磚紅色到岩石上包覆的海藻那種綠褐色都有。但他看過的礁岩池裡沒有海參──而事隔二十多年後，身處美國俄亥俄州克里夫蘭市的他，壓根兒就沒想過要研究這種古怪海洋生物的皮膚。
不過，羅文其實是這研究的理想人選。他在研究生涯中發明出幾種具有動態性質的物質──例如，曝露於刺激（例如光）之下就能自我修復的聚合物。這類材料愈來愈吸引相關領域人們的注意，過去他們總認為，物質一旦生產出來，就固定、不能再變化了。
羅文之所以能成功，是因為他的研究專長是所謂的「非共價交互作用」（non-covalentinteraction），專門研究原子之間比「共價鍵」微弱的鍵結。
來迅速複習一下：共價鍵利用共用電子來讓分子保持完整；共用電子的原子通常很中性，或是彼此的電荷相近。反觀離子鍵則是靠電荷固定在一起的：一個原子有過多的電子，帶負電荷；另一個原子缺了一些電子，因此帶正電荷，於是這兩個相異電荷的原子就像磁鐵一樣彼此相吸。就是這種鍵結把帶正電荷的鈉和帶負電荷的氯綁在一起，成為你餐桌上的鹽。這些帶電的原子（也就是離子）其實不像利用共價鍵結合的原子那樣共用電子，只是像一片片拼圖那樣拼在一起。共價鍵像婚姻關係──共用銀行帳戶、共用資源；離子鍵則像室友──住在一起但分房，財產也（大部分）分開。
（不過，這並不代表共價鍵一定比離子鍵強大，雖然我在中學學到的是這樣，但其實某些離子鍵可能比某些共價鍵強多了；鍵結強弱還是依不同的原子而異。）
非共價交互作用的種類也五花八門，羅文研究的正是這些，不過大多不在本書探討的範圍內。這章裡，我們會討論氫鍵──當共價分子的電子沒有被均等共用，而是聚集在該分子的某一側，便會形成氫鍵。這也代表，其中一個原子（在此處就是指氫原子）會稍微帶正電，而另一個原子（就是同分子中與氫相連的原子）則會稍微帶負電，於是這些原子便可以和其他有這種極性的分子產生微弱的鍵結。
羅文跟我說，非共價鍵（特別是氫鍵）是基礎生物程序（biological processes）的基石。
DNA之所以能形成雙螺旋，非共價鍵在其中扮演了關鍵的角色；非共價鍵斷裂、重新連結，DNA的兩股才能分離、複製然後再度結合。非共價鍵也能加速複雜蛋白質的折疊，而複雜的蛋白質是細胞生命的功臣，也是人體分子結構的磚頭和砌磚匠。
「幫助DNA形成雙螺旋的正是非共價鍵，在控制蛋白質的折疊過程中，它發揮了某些作用。」羅文說：「它的功能通常是可逆或者動態的──讓東西可以彼此相連，也可以輕易分開。那是很弱的鍵結，但也夠強了。大家有時喜歡用魔鬼氈來比喻──會黏在一起，但也能輕易分開。」
或許你並不想知道自己的身體細部其實持續不斷黏合又分開，但這樣的事此時此刻確實在發生。而且，這程序運作得順暢極了。
氫鍵讓身體可以做到各種事──生育、因應改變、下達指令。然而人造材質卻是死的、固定不動的。金屬永遠是硬的，橡膠永遠是軟的，這些材質唯一的改變是會逐漸分解。但若利用氫鍵來製造材料，這材料就能具備某種程度的動態性（dynamism），而那是少了氫鍵就無法辦到的事。羅文運用他在非共價鍵領域的專長，創造了各式各樣不同的材質──一種能進行「自我修復」防磨塗料，它的鍵結可以斷裂，使分子填補到縫隙中；感應到危險化學戰劑就會變色的材料；能記憶形狀的聚合物，就算被扭曲成奇怪形狀，只要加熱就能彈回原形。這些發明遠遠不及皮膚等等活體材料那麼厲害，卻有擁有了那些基本特質的一些面向──會對刺激做出反應，能模擬自我修復。
羅文擁有非共價鍵的專長，所以他的同事克里斯多夫．韋德（Christoph Weder，當時還是該系的教授）問他有沒有興趣參與一個特別的計畫。韋德從亞特．豪亞（Art Heuer）那裡聽說了海參奇妙的變形能力；而亞特．豪亞是該校另一種材料學系的同事，曾經短期研究過海參皮膚的特性，他想到韋德擁有聚合物的技術，或許真能做出那樣的材料。
羅文著迷極了。他回到自己的實驗室，開始嘗試不同的物質，但他和韋德遇到一個阻礙──他們要有個名目來製造這些材料。用來防彈的嗎？ 或許用來做蝙蝠俠的斗篷，可以變成堅硬的翅膀？過了好幾個月，這問題仍然沒有答案。提出這問題是有道理的，因為當你腦中沒有明確的目標時（想不出可以用於軍事、醫療或其他商業用途的最終產品），很難說服人贊助你的計畫。
答案來得出乎意料，來自一個非常意想不到的地方：一場偶然的會議，會議的原本目的已經消失在記憶的迷霧中了──羅文說：「大概是工學院層級的研究委員會吧。」有些同事遲到了，羅文為了打發時間，於是和一個克里夫蘭榮民醫院來的科學家達斯汀．泰勒（Dustin Tyler）聊了起來。
「我們正在等與會人出現，所以隨口閒聊了幾句，我告訴他，我們有這種很酷的材質，但不知道要拿這東西做什麼。」羅文說。
泰勒馬上給出答案：「這非常適合做腦皮質植入物。」泰勒是任職於榮民醫院的生物醫學工程師，職業生涯中一直在發明和研究各種不同的方式來與大腦接合，尤其是用於截肢者的狀況。對他來說，那種材質的用處顯而易見；他們就此建立了合作關係。
羅文開玩笑道：「那是我這輩子參加過的委員會會議當中，唯一有用處的一場。
