序言
侵略了北美平原的風滾草，獨角鯨那凸出在外的犬齒，翼龍的第四根指頭，甲殼蟲的甲殼，還有高達 5000 米的古代海底山脈頭頂那剛剛浮出熱帶海面的珊瑚島礁，這些東西的共同點是什麼？它們都是骨骼的一種形式，是一個已經步入中年的星球上的生命體在演化的極晚期產生的傑作。
想像一下一個沒有演化出骨骼的世界。我們將見不到鳥兒飛過天際，停留枝頭；見不到小貓一躍而起，跳上花園的牆壁（也許就是為了抓住剛剛的鳥兒）；也見不到螃蟹快速爬過沙灘，孩童跑過操場。這些我們早已司空見慣的情景都不會存在，這個世界該多麼詭異啊！但在地球生命史的大部分時間裡，世界就是這個樣子的。
現在的地球表面覆蓋著大量的骨骼，從龐然大物到毫釐之微，不一而足。有些骨骼堆，例如澳大利亞的大堡礁，極其龐大，甚至在太空中都清晰可見。而有些骨骼則微小到隻能通過高倍顯微鏡纔得以一見，精致地展現出了來自數億年前的微細結構。在古代，人類便一直心心念念地尋找著壯觀的骨骼標本，時至今日，這些骨骼仍舊散發著令人敬畏的力量。從另一個角度看，這些經年累月儲存在岩石層中的骨骼，正在控制地球上一些重要的化學循環，也成了維持地球宜居氣候的重要力量。
在本書中，我們將從多個角度探究骨骼，並詳細地介紹那些由礦物質組成的，曾幫助生命改造我們所在星球的骨骼。我們將從遠古遺跡中觀察骨骼的創新，看看微小的細胞是如何為自己搭建“腳手架”的，看看這些細胞的“腳手架”又如何一步步演變成如今我們熟悉的骨骼的樣子。我們會解釋骨骼形成的不同途徑，還會向你們展示這些“生命的框架”如何造就了生物在外貌、體形、大小和生活史對策方面極豐富的多樣性。
以骨骼為切入點來觀察地球上的生命，有助於我們找到許多深奧問題的答案。為什麼骨骼是由某素組成的？為什麼有的動物的骨骼在外面，而有的動物的骨骼在裡面？骨骼為動植物帶來了哪些優勢？骨骼又為生命體實現了什麼樣的生活方式？復雜的生物網讓地球上的海洋、陸地和空氣活躍了起來，給這些生物安上“框架”以後，它們又是如何“重塑”地球的呢？
骨骼又是如何幫助人類的呢？那些恐龍和海洋爬行動物的骨骼，可不隻是為博物館增色，還能讓我們得以瞥見地球那古老又令人激動的過往。骨骼還曾是農民使用的工具，雖然農民使用它們的方式普通而實用，且足以讓古生物學家為此感到沮喪。如今，我們從技術上增強了自己的骨骼，也構建了新的能讓我們探索這個世界和其他世界的骨骼。在這種情況下，科學家可以通過研究已演化了幾億年的骨頭和殼的結構，獲取為我們的社會構建新的物質結構的靈感。
在人類眼中，骨骼自古便是意義深遠的圖騰，像征著死亡和永恆。毫無疑問，這種聯想讓骨骼更加充滿魅力。在本書中，我們會提到一些科學家，他們發現並研究了那些壯觀的，或是活的，或是化石形式的骨骼，並致力於解答地球上那些事關生命和死亡的謎團——生命是如何繁榮和發展起來的？在那些建造骨骼的能力周期性失效的時候，生命又是如何崩析的？
隨著地球逐漸衰老，骨骼的未來在何方？從太陽這顆恆星不可阻擋的演化歷程來看，依附於地球的這場特定的生命實驗，還能再持續約 10 億年。因此，關於地球上的骨骼故事，還有時間發展出新的篇章。就在我們寫下這個故事的同時，新的篇章似乎已經開始。我們這個世界的骨骼結構似乎即將重演遠古時期的災難，歷史上的噩夢又將再現，而這也是我們留給後代的“禮物”。
然而，與此同時，我們正在產生非凡的新事物。如果未來地球上的骨骼是由金屬、塑料、硅以及重組的組織和骨頭制成的，那麼世界會變成什麼樣呢？也許，那些新發明的生命骨骼框架能幫助我們前往遙遠的恆星和行星，與有著不同骨骼框架的不同生命體邂逅。經過過去幾年跌跌撞撞的探索，如今，這種對我們的世界或其他世界的漫長冒險，也許會在人們的預感和期待下成為現實。不管終這些冒險會帶領我們去向何方，不管骨骼會發展成什麼模樣，它們都會為未來的演化搭建“框架”。它們會長久地存在下去，繼續講述生命的故事。
多大是大？
骨骼中的“大”是一個相對概念。對於一隻微小的單細胞有孔蟲（阿米巴蟲有殼的親戚）來說，直徑超過 1 釐米的骨骼，便是大的骨骼。但就是數十億這樣“大”的有孔蟲——被稱為貨幣蟲——骨骼堆積在一起，形成了建造埃及吉薩金字塔所用的石灰岩。不過，因為我們自己是脊椎動物，所以從這個角度來說，我們人類往往對巨大的脊椎動物印像深刻，例如巨大的藍鯨。的藍鯨體長超過 30 米 ( 圖 7）。如果單從身長的角度來說，有些恐龍比藍鯨還要大。南美白垩紀的阿根廷龍的身長可能近 40 米。這些“巨型”動物，它們的骨骼都是長在身體內部的。
那麼，對於那些骨骼長在身體外部的動物而言，它們能長到多大呢？根據經驗，答案似乎是 3 米。這個答案是針對全身覆蓋外骨骼而言的。如果外骨骼在演化過程中縮小或消失了，那麼約束條件變松，動物就能長得更大。大王酸漿魷（這真的是這種動物的學名）是一種巨型軟體動物，體長可近 14 米。它的祖先是有外骨骼的。如今的大王酸漿魷也有骨骼，隻不過它們的骨骼已變成了內骨骼——因形似羅馬士兵的短劍，人們稱其為“羅馬短劍”。大王酸漿魷的體形真的十分巨大，比的大白鯊（體長超過 6 米）還要大。不過大王酸漿魷主要是觸手很長，它的軀干隻有 2~3 米長。
為什麼從人類的視角看，有著外骨骼的動物一般體形都比較小呢？
這其實是一個工程學問題。骨骼支撐著身體的各個組織，包括一些比較重的結構組織，例如主要器官。同時骨骼還要為肌肉提供附著點。動物生長的時候，骨骼也會隨之生長，從而使得支撐結構變得更厚。這就出現了兩個明顯問題：那些有著外骨骼的動物，如何帶著外骨骼生長呢？這種本質上中空的管狀外骨骼，又是如何持續地支撐著動物的身體的呢？
對於那些擁有開放式外骨骼的動物（例如軟體動物）來說，個問題很容易解決，因為隨著它們的生長，它們的殼體也會增長。像散大蝸牛（又稱庭園蝸牛）這種腹足動物會在殼體上長出新的螺圈，而雙殼動物，例如扇貝，則會在邊緣長出新的殼。不過即便如此，值得注意的是，現存的雙殼動物大硨磲， 其體長通常也隻有 1 米多。而遠古時期的雙殼動物白垩紀史氏疊瓦蛤，可能是大硨磲的兩倍大。
對於節肢動物來說，它們的組織則是完全被外角質層包裹住的，例如蜘蛛和龍蝦。因此，在殼上長出新的螺圈，或在邊緣長出新的殼，並不能解決個問題，而且也是不可能實現的。對於節肢動物，尤其是陸地上的節肢動物來說，這是一個大問題，因為它們在生長過程中必須蛻去外骨骼，從而形成新的更大的外骨骼。這時候的節肢動物十分脆弱，很容易受到攻擊。這可能也是節肢動物整體的體形都較小的其中一個原因。因此，在《X 放射線》中，被巨型螞蟻攻擊的洛杉磯當局什麼都不用做，隻要等著螞蟻們蛻殼，然後就可以輕而易舉地干掉它們。
除此之外，這些巨型螞蟻還要面對一個重大問題：隨著它們的體形越來越大，它們身下的腿會被壓扁。這些巨蟻的骨骼是薄薄的中空結構，本質上是一根細長管子包裹在螞蟻那六條細小的管狀腿之外。這就是問題所在。電影中受輻射變異的螞蟻，其體形增大了 1 倍，體重增加了 8 倍，但是它們那中空的管狀腿無法承受增加的體重。於是的辦法便是增加骨骼厚度，可是這又會讓骨骼變得太重，從而使螞蟻的肌肉衰竭。可憐的螞蟻！洛杉磯的市民們不會充滿恐慌地逃向四面八方，洛杉磯城內隻會出現這種雖然可怕但無害的場景：滿地都是癱倒在地上的、蛻了一半皮的、腐爛的巨型節肢動物尸體。當然，那隻 30 米高的塔蘭圖拉毒蛛將會處於更加悲慘的境地。
如果《X 放射線》和《狼蛛》的制片人選擇有很多條腿的巨型馬陸——雖然這種生物並不像巨蟻和狼蛛那樣令人恐慌——也許更說得通。至今的陸地節肢動物是節胸蜈蚣——一種能長到 2 米多的馬陸。慶幸的是，它隻生活在 3 億年前的石炭紀熱帶叢林中。節胸蜈蚣曾被認為是一種兇猛的掠食者，不過它更可能是一種有著溫和口器的植食性動物。那麼，節胸蜈蚣是如何長到那麼大的呢？可能有幾個原因。首先，根據它的體形大小可以推斷，在它所處的石炭紀，節胸蜈蚣可能鮮有天敵。畢竟，在“殖民”陸地的過程中，節肢動物是贏在起跑線上的。在數億年前的志留紀晚期，節胸蜈蚣的祖先便是移居陸地的先鋒隊。因此，它們早就適應了石炭紀的環境。此外，石炭紀大氣層中的氧氣含量很高，可能高達 35%，更有利於大型陸地節肢動物。雖然我們不知道節胸蜈蚣的呼吸繫統到底是什麼樣的，但是根據現存馬陸的呼吸繫統類推，它很可能通過每節身體的外骨骼上兩對與氣管繫統相連的微小表面瓣膜或氣門進行呼吸。它的氣管繫統本身就是一繫列由外骨骼內陷形成的，從而直接將氧氣輸送到動物的組織內。在節胸蜈蚣身上，它的氣管繫統很可能連接著貫穿全身的長管狀心髒。陸地節肢動物的這種氣管繫統，並不能像脊椎動物的肺或者鰓那樣有效地將氧氣輸送到各個組織。這也是它們體形受限的另一個因素。
然而，節胸蜈蚣並不是有史以來的節肢動物。這頂桂冠屬於兩種水棲動物：其一是來自泥盆紀的一種巨大“海蠍”，名叫耶克爾鱟（Jaekelopterus）；其二是現存於日本的甘氏巨螯蟹（Macrocheira kaempferi，也稱日本蜘蛛蟹）。耶克爾鱟是一種生活在 3.8 億年前泥盆紀晚期的恐怖生物。雖然是一種“海蠍”，但是它生活在歐洲和北美的淡水湖中。它的身體可長達 2.5 米，螫角（爪子）長近 0.5 米。這樣的體形足以讓它成為一個以魚和其他節肢動物為食的高效掠食者。日本的甘氏巨螯蟹看起來也像 20 世紀 50 年代美國恐怖電影中的怪物，但實際上並沒有那麼兇猛。如果算上附肢，它便是體形的節肢動物，爪和爪之間的距離可達驚人的 5.5 米。為了達到這樣的體形，巨螯蟹避免了管狀中空腿部骨骼和增長的體重之間的衝突。它的身體並不大，隻有 40 釐米長，而它的腿卻非常瘦長。
這也是為什麼在抹香鯨和大王魷那史詩般的深海大戰中，鯨魚總是能在“觸手和下頜”的戰鬥中獲勝。如果算上肢體，甘氏巨螯蟹和大王酸漿魷體形都十分龐大，但是它們的身體隻能保持較小的形態。擁有外骨骼便無法長出龐大的身體，至少從陸生脊椎動物的角度來說是這樣的。但是大量采用了這種骨骼形式的動物，或者那些後繼采用了這種骨骼形式的脊椎動物，例如豪豬、刺蝟和甲龍都表明，外骨骼是很有用的，其不僅是一種支撐結構，還能成為動物的盔甲。
