[亂看論文] 巨口魚的透明牙齒（我的牙為啥是白的？）還有會彈出去縮回來的絞鏈狀下巴

#不專業亂看 今天在讀科學新聞讀到一篇奇妙的消息。是說有材料科學學者跨界，盯上了深海魚的肉體，是為了竊取在深海獨特生態系演化出的機密，來製造各種有用的「仿生材料」。

深海魚啊，的確是研究比較少的那方面。是說......路上走來走去的神奇寶貝應該也抓來研究一下仿生......啊？火箭隊已經在做了嗎，喔那好。

材料科學家的研究苦主是下面這個影片中編號第4號：巨口魚（俗名 loosejaw 或 dragonfish）。




巨口魚和鮟鱇魚很類似的是都在深海利用生物發光誘食、捕食，因此牠們保持了看到紅色光的能力，而一般的牠們的獵物就看不到，是一個敵明我暗（我還用紅光手電筒照你但你看不到）的概念。

但科學家看上的不是巨口魚的生物發光，而是透明無色的牙齒。

這影片本身也是我亂找到的，奇妙的點在，雖然內容蒐集的很認真，影片編輯技術很好，但卻沒太多點閱數。然後雖然頻道主是香港人（從口音和推特判斷），但用來描述深海深度時的比例尺是台北101，在台港人？也許。

巨口魚和鮟鱇魚不一樣的部分很顯然是體型，黑色巨口魚是流線、尖牙、突出的絞鏈狀下顎（因此叫 loosejaw）和光滑皮膚，綜合起來就是......異形，相似到我不禁懷疑當年 H. R. Giger 有參考過深海魚。

尖牙是透明的，但切開來看，牙齒的成分構成居然和我們的牙齒沒兩樣：氫氧磷灰石（hydroxyapatite）以特定的規律圍繞著膠原蛋白的基質形成的牙本質（dentin）。

但怎麼它的牙是透明的，我們的牙為何就得是白的呢？

對啊，為什麼牙齒是白的呢？我也想要透明的尖牙啊。

於是我找了一些牙醫學論文在講解怎麼測量牙齒的「潔白度」。論文開宗明義道：牙醫是和造紙業、洗衣業一樣靠白色吃飯的行業，對於什麼是白不可不知。XD

包括這篇，短又簡潔地介紹了 CIE L*a*b* 色彩模型。提到「白度」的一個定義（whiteness index）是在 L*a*b* 色彩空間中，該色光輸入轉換後的 (L*, a*, b*) 座標值和正白色 (100, 0, 0) 的歐氏距離。

這個系統中 L = 明度    a* = 紅 / 綠 度    b* = 藍 / 黃 度

CIEL*a*b* 根據的是視覺神經學中，視網膜對於紅綠、藍黃這兩對顏色會有拮抗機制的理論（Hering's opponent process theory）。拮抗發生在視網膜的中間神經元，這也就是視覺殘像的色彩會「顛倒」（紅變綠，藍變黃）的原因——因為抑制信號仍然處在過激動的狀態，矯枉過正。

三原色(RGB)→明度與兩對色彩拮抗（L* a* b*）

L*a*b* 空間是歐氏空間，所以可以求歐氏距離，而另一個CIE LCH 空間是把前者變換成圓柱坐標系。

其中 L = 明度    C=飽和度(chromacity)   H=色調(Hue)

圓柱坐標系是以 L 為對稱軸 z 高度，H 為角度 θ，C 為半徑 r 這樣的概念。詳細和 HSV 圓柱有何不同待研究。

HSL/HSV 這個條目有很多直觀的圖，但也同樣有很多數學

什麼？讀者完全不懂上面在公鯊小？這很正常，我只稍微有概念而已，是之前連續看了一個下午維基百科，關於色彩學的條目時領悟的。

不難發現，喵的咧，上述的牙醫論文根本只講了「什麼是白色」←但這問題本身就是大哉問了。值得我連看一個下午的維基百科XD。

可是它根本沒講到「牙齒為什麼是白色的」嘛。只能做到經驗歸納說，這是光線在琺瑯質和牙本質之中的所有折反射和散射（主要是Rayleigh，因為磷灰石顆粒遠小於可見光波長）的綜合原因= =

大約是這樣，亂糟糟的。介面、缺陷與雜質造成折反射與散射。

琺瑯質散射本身會帶有一點偏藍色的白，牙本質不愧又叫象牙質，會有一點黃黃的，原因待查。

回頭講材料科學家，難道是和我一樣想要透明牙齒嘛？可惜不是，它們是想精進目前製造「透明陶瓷」的方法。

雖然有點不瞭解為什麼非要挑深海魚的透明牙齒研究不可（因為淺海魚例如鯙科也有透明的尖牙。不只如此，連剛孵化的鯙魚魚苗也是透明的，你看他在游很可愛。）

總之，巨口魚的身體是漆黑的，平常會把下顎還有下顎附著的一個生物發光的誘餌（有發光共生菌的囊狀構造）往前伸長，當逮到獵物下顎縮回時，那些透明尖牙就發揮像毛氈苔的尖刺一樣的禁錮作用。

而既然是陷阱那就越不顯眼越好，最好是透明的。可能是這類演化壓力造成牙齒愈變愈透明的。

總而言之，我講的是 這篇論文 [雖然出自 Matter 是 Cell 系期刊，但它是無料閱覽的 Yay]。經過材料學的好用又強大的儀器，鑑定牙齒的材料與結構：儀器包含傅立葉轉換紅外光譜（FTIR）可以鑑定牙齒含有的分子基團，以及精密的穿隧式電子顯微鏡（TEM）。

最終他們判定牙齒透明的原因是，巨口魚的牙本質中的氫氧磷灰石（←這一樣是含鈣的礦物，顯然鈣質並不是透不透明的主要因素）圍繞著膠原蛋白礦化，形成直徑只有 5-10 nm 的奈米圓柱。這些圓柱呈雜亂排列，彼此之間緊密無縫隙。

因為可見光的波長遠大於這些奈米圓柱，理論中最容易發生的散射現象是瑞利散射。所以我們預期藍色光會最受到散射影響而減弱，所以透明牙齒應該微微偏紅，但不是。基於某種神祕的原因，微小隨機走向的管狀物體的瑞利散射性質會比較微小......是基於一位俄國科學家在 2004 年計算出的 Rayleigh- Gans-Debye approximation 的結果（電磁學，顯示為問號）。讀者表示這哪天外飛來的解釋我困惑。

好窩，講到俄國科學家的數學程度，大概可以信賴吧←汝不可質疑戰鬥民族的數學。

所以材料科學家們發表這篇論文後，根據新聞稿他們就去籌經費，開始進行跨領域的「透明陶瓷」的研究了。

牙齒的問題就算到此解決，我開始對那奇怪的下巴構成的連桿系統好奇。

下圖影片是將巨口魚的軟組織溶解掉，骨頭韌帶加以染色的標本（請勿誤會是本來顏色），模擬下巴伸出去的動作。

*順帶一提，巨口魚本身很小一隻，嘴大是相對而言。



一個生物基本常識：所有肌肉用力都是縮短，不會有肌肉用力是伸長的，所以從肌肉的角度講，要讓嘴閉上很容易，要讓嘴打開就需要有骨關節的槓桿作用。縮回來很容易，但怎麼伸出去的就值得推敲。

這篇論文就在分析巨口魚的下巴構成的連桿系統的機械優勢（Mechanical advantage），是生物力學（biomechanics）的領域。總之，因為能量守恆，槓桿系統不可能能省功，只可能 1. 改變力的方向 2.費力省時 3.省力費時 （因為 功 = 力 x 位移）。狀況 1. 的機械優勢是......毫無反應就只是個 1倍。2. 和 3. 的情形的機械優勢定義為省了幾倍力，或省了幾倍時的倍率，根據定義永遠大於 1。

對巨口魚來講，當然嘴能越快伸縮，就越不容易獵捕失敗，但這樣就要施加更大的力量（這是反槓桿，例子如揮棒），代表需要更大的肌肉，更大的代謝能量需求，因此，巨口魚的策略不可能是無止盡增大嘴巴或加快閉合速度以換取完美的捕食，這樣吃到的東西抵不上消耗的熱量，於是所有要素中間會有一個均衡點。數千萬年的盲目演化就會讓它的體態往那個均衡點靠近，自然自然會找到它。

所以學者都是白研究的XDDD（大誤）。

上兩圖來自於論文，但我還是看不懂上面任何一條肌肉縮短可以讓嘴巴張開......它們都在關節內側，所以縮短只會讓嘴巴關起來。

上圖是別種魚的嘴巴，這個構造和人的口腔就很像了，灰色部分是骨頭，則兩塊灰色的接觸點有點像顳顎關節，在關節後下方的肌肉收縮就可以靠槓桿（改變力的方向）把嘴打開。位在關節前上方的都是咀嚼肌，負責讓嘴閉上。

鯙魚

而上圖不是巨口魚而是鯙鰻，下顎的構造和巨口魚不同。鯙魚有另一個著名的亮點是他有異形般的咽頜（pharyngeal jaw），用一般的上下頷的牙齒先咬住食物，然後一群肌肉把咽頷從咽喉拖出來，夾住獵物，另一群肌肉再相反方向施力，把獵物拖進食道。

根據我有限的智商，我覺得圖上必須有一條沒畫出來的肌肉，是像人的膝蓋一樣，位在ㄑ字形的外側，當它縮短就像我們伸腿一樣，ㄑ的角度才能張大。至於整個嘴往外伸的部分，如果圖上的藍色三角形處是一個關節的話，光靠嘴張開，因為三角形的邊長增加，大邊對大角的關係就會把下顎推出去了。如下圖。

我覺得是醬。咖啡色=肌肉(逐漸縮短)，藍三角=支點。

今天的最後心得，精采的圖都有版權，亂放會被吉死，希望版權所有人不要像唱片公司一樣動不動就搜尋看看自己的照片有沒有被盜用Ｒ......

除了 wikimedia commons 之外，另一個有精彩生物圖出沒的地方是 nature picture library。例如這張 Black dragonfish (Malacosteus niger) by Solvin Zankl。這邊可以搜尋整個圖像庫，但當然有料的圖都是「有料」的←日語，意為要錢。