Металлоподобные материалы были обнаружены в очень странном месте.
Ключевые выводы
- Щетинистые черви - это странные, колючие, сегментированные черви со сверхсильными челюстями.
- Исследователи обнаружили, что челюсти содержат металл.
- Похоже, что однажды биологические процессы можно будет использовать для производства металлов.
Щетинистый червь, также известный как полихета, существует примерно 500 миллионов лет. Ученые считают, что сверхустойчивый вид пережил пять массовых вымираний, а их насчитывается около 10 000 видов.
Радуйтесь, если не встретили щетинистого червя. Быть укушенным одним из них - чрезвычайно болезненное событие, как могут сказать вам владельцы морских аквариумов после того, как они случайно коснулись щетинистого червя, который автостопом попал в аквариум на живом камне.
Щетинистые черви обычно имеют длину от одного до шести дюймов, когда находятся в аквариуме, но способны вырасти до 24 дюймов в длину. Все полихеты имеют сегментированное тело, при этом каждый сегмент имеет пару ног или параподий с крошечными щетинками. («Многощетинковые» по-гречески означает «много волос».) Параподии и их щетинки могут стрелять наружу, чтобы поймать добычу, которая затем переносится в выворачивающийся рот щетинистого червя.
Челюсти одного щетинистого червя - Platynereis dumerilii - сверхпрочны, практически не ломаются. Оказывается, согласно новому исследованию ученых Венского технического университета, эта сила обусловлена атомами металла.
Металлы, а не минералы
Это довольно необычно. Старший автор исследования Кристиан Хельмих объясняет: «Материалы, из которых сделаны позвоночные, хорошо изучены. Кости, например, имеют очень иерархическую структуру: есть органические и минеральные части, крошечные структуры объединяются в более крупные структуры, которые, в свою очередь, образуют еще более крупные структуры».
Челюсть щетинистого червя, напротив, заменяет минералы, из которых построены кости других существ, атомами магния и цинка, образуя сверхпрочную структуру. Именно эта структура является ключевой. «Сам по себе, - говорит он, - тот факт, что в челюсти червяка из щетины есть атомы металла, не объясняет его превосходных свойств материала».
Достаточно деформируемый
Что делает обычный металл таким прочным, так это не только его атомы, но и взаимодействие между атомами и то, как они скользят друг относительно друга. Скольжение допускает небольшую упругопластическую деформацию при приложении давления, придавая металлам пластичность, достаточную для того, чтобы они не ломались, не трескались и не разрушались.
Соавтор Флориан Рэйбл из Max Perutz Labs предполагает: «Принцип конструкции, который сделал челюсти щетинистых червей такими успешными, очевидно, возник около 500 миллионов лет назад».
Raible объясняет: «Ионы металлов включаются непосредственно в белковые цепи, а затем обеспечивают скрепление различных белковых цепей». Это приводит к созданию трехмерных форм, которые щетинистый червь может собирать вместе в структуру, достаточно податливую, чтобы выдерживать значительную силу.
«Именно такое сочетание высокой прочности и деформируемости, - говорит ведущий автор исследования Луис Селайя-Лайнез, - обычно характерно для металлов».
Таким образом, челюсть щетинного червя одновременно и металлическая, и в то же время нет. Как говорит Селайя-Лайнез: «Здесь мы имеем дело с совершенно другим материалом, но что интересно, атомы металла по-прежнему обеспечивают прочность и деформируемость там, как и в куске металла».
Наблюдение за созданием металлоподобного материала в результате биологических процессов немного удивляет и может предложить новые подходы к разработке материалов. «Биология могла бы послужить здесь источником вдохновения, - говорит Хельмих, - для совершенно новых видов материалов. Возможно, биологическим путем даже можно производить высокоэффективные материалы - гораздо более эффективно и безвредно для окружающей среды, чем мы это делаем сегодня».