Эти животные выращивают острые скальпелем инструменты точной формы, устойчивые к поломке.
Многие мелкие животные выращивают зубы, когти и другие «инструменты» из материалов, наполненных цинком, бромом и марганцем, которые составляют до 20% веса материала.
Мои коллеги и я называем это «биоматериалами тяжелых элементов», и в новой статье мы предполагаем, что эти материалы позволяют животным выращивать острые как скальпель инструменты точной формы, устойчивые к поломке., деформации и износа.
Из-за небольшого размера таких вещей, как муравьиные зубы, биологам было трудно проверить, насколько хорошо материалы, из которых они сделаны, противостоят переломам, ударам и истиранию. Моя исследовательская группа разработала машины и методы для проверки этих и других свойств, и вместе с нашими сотрудниками мы изучили их состав и молекулярную структуру.
Мы исследовали зубы нижней челюсти муравья и обнаружили, что они представляют собой однородную смесь белков и цинка, причем одиночные атомы цинка присоединены примерно к четверти аминокислотных единиц, составляющих белки, образующие зубы. Напротив, кальцифицированные инструменты, такие как человеческие зубы, состоят из относительно больших кусков минералов кальция. Мы думаем, что отсутствие массивности в биоматериалах с тяжелыми элементами делает их лучшими, чем кальцинированные материалы, для формирования гладких, точно сформированных и чрезвычайно острых инструментов.
Чтобы оценить преимущества биоматериалов с тяжелыми элементами, мы оценили силу, энергию и размер мышц, необходимые для резания инструментами из различных материалов. По сравнению с другими твердыми материалами, выращенными этими животными, износостойкий цинковый материал позволяет часто используемым инструментам прокалывать твердые вещества, используя лишь одну пятую силы. Предполагаемое преимущество еще больше по сравнению с кальцинированными материалами, которые, поскольку они не могут быть такими острыми, как биоматериалы с тяжелыми элементами, могут потребовать более чем в 100 раз большей силы.
Биоматериалы, содержащие цинк (красный) и марганец (оранжевый), расположены в важных режущих и колющих краях челюстей муравьев, челюстей червей и других «инструментов» (Роберт Шофилд, CC BY-ND).
Почему это важно
Неудивительно, что материалы, из которых можно делать острые инструменты, развились у мелких животных. И клещу, и волку нужно проколоть одну и ту же лосиную кожу, но у волка гораздо более сильные мышцы. Клещ может компенсировать свои крошечные мускулы, используя более острые инструменты, которые фокусируют силу на более мелких областях.
Но, как и острый кончик карандаша, более острые кончики инструментов ломаются легче. Опасность перелома усугубляется тенденцией мелких животных расширять свою досягаемость с помощью длинных тонких инструментов, таких как те, что изображены выше. А сломанный коготь или зуб может оказаться смертельным для маленького животного, у которого нет сил резать тупыми инструментами.
Но мы обнаружили, что биоматериалы с тяжелыми элементами также особенно тверды и устойчивы к повреждениям.
С точки зрения эволюции эти материалы позволяют более мелким животным потреблять более жесткую пищу. Энергия, сэкономленная за счет применения меньшего усилия во время стрижки, может быть важна для любого животного. Этими преимуществами можно объяснить широкое использование биоматериалов с тяжелыми элементами в природе - их используют большинство муравьев, многие другие насекомые, пауки и их родственники, морские черви, ракообразные и многие другие виды организмов.
Что еще неизвестно
Хотя исследования моей группы выявили преимущества биоматериалов с тяжелыми элементами, мы до сих пор точно не знаем, как цинк и марганец укрепляют и защищают инструменты.
Одна из возможностей заключается в том, что небольшая часть цинка, например, образует мосты между белками, и эти поперечные связи делают материал более жестким, как поперечные балки укрепляют здание. Мы также думаем, что когда клык врезается во что-то твердое, эти поперечные связи цинка могут сломаться первыми, поглощая энергию, чтобы уберечь клык от сколов.
Мы предполагаем, что обилие дополнительного цинка является готовым запасом для заживления материала за счет быстрого восстановления нарушенных перекрестных связей цинк-гистидин между белками.
Что дальше?
Потенциал самовосстановления этих материалов делает их еще более интересными, и следующим шагом нашей команды будет проверка этой гипотезы. В конце концов мы можем обнаружить, что самовосстановление или другие особенности биоматериалов из тяжелых элементов могут привести к созданию улучшенных материалов для таких вещей, как небольшие медицинские устройства.
Роберт Шофилд, профессор физики Орегонского университета
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.