В челюстях морских червей обнаружен твердый, но легкий «биометалл»

Фото из открытых источников

Челюсти некоторых морских червей состоят из исключительно твердого, но легкого материала, получившего название «биометалл», который может найти применение в технике. Результаты исследования были опубликованы в журнале Biophysics Reviews.

Perinereis cultrifera — это вид многощетинковых червей с длинным телом, усеянным щетинками. Представители этого вида также обладают сильными челюстями, позволяющими им раздавливать твердую добычу, такую как мелкие ракообразные или другие черви. Остатки их челюстей были обнаружены в палеонтологической летописи, датируемой сотнями миллионов лет назад.

Кристиан Хеллмих из Венского технического университета в Австрии и его коллеги изучали челюсти этого червя почти десять лет, что привело их к предположению, что они состоят из нового материала. Молекулярная структура каждой челюсти сочетает в себе белки и ионы металлов, таких как цинк, что придает ей характеристики, находящиеся между характеристиками более мягких биологических материалов и металлов.

Совсем недавно команда провела более 3300 экспериментов, в ходе которых на разных участках челюсти были сделаны небольшие вмятины. Изменение твердости под этим давлением соответствовало закономерности, характерной для таких металлов, как медь и серебро. Но челюсть также продемонстрировала своего рода эластичность, которой металлы не обладают, говорит Хеллмих.

Наконец, исследователи разработали математическую модель биометаллов, которая показывает, как они могут реагировать на деформацию уникальным образом, при котором микроскопические силы возникают из-за того, что ионы металла располагаются в виде линий, подобных определенным дефектам в кристаллах.

Исследователи были удивлены, обнаружив столько нового в этом относительно простом животном. Проведение механических испытаний на челюсти размером в миллиметр было действительно сложной задачей и потребовало сотен часов подготовки и полировки, говорит Хеллмих. «В принципе, все может пойти не так», — говорит он.

«Челюсти щетинковых червей невероятно твердые, но при этом очень легкие», — говорит Мэтью Ленерт из Кентского государственного университета в Огайо. «Многие отрасли, от автомобилестроения до аэрокосмической промышленности, ищут новые способы разработки твердых и легких материалов. Ответы находятся в природе!»

«Каким-то образом эволюция нашла способ извлечь металлоподобный механический отпечаток из белкоподобных компонентов, и изучение червя позволяет нам понять, какой трюк делает это возможным», — говорит Маркус Бюлер из Массачусетского технологического института, который не участвовал в исследовании. Долгосрочная цель этого исследования — генетически запрограммировать материалы, которые могли бы расти в биологических системах, говорит он.

Хельмих и его коллеги заинтересованы в достижении этой цели, и в их команду уже входят генетики и биологи из Венского университета. «Мы задаемся вопросами вроде: „Если мы выключим несколько генов, то как изменятся челюсти?“» — говорит он.