В челюстях морских червей обнаружен твердый, но легкий «биометалл»
Челюсти некоторых морских червей сделаны из исключительно прочного, но при этом легкого материала, получившего название «биометалл». Его поразительные свойства описаны в журнале Biophysics Reviews.
Perinereis cultrifera — это вид нереиды, длинное тело которой покрыто щетинками. Эти черви обладают мощными челюстями, позволяющими им раздавливать твердых жертв — например, мелких рачков или других червей. Окаменелые остатки их челюстей встречаются в летописи ископаемых начиная с сотен миллионов лет назад.
Уже почти 10 лет челюсти P. cultrifera изучают в Венском техническом университете. Оказалось, они состоят из ранее неизвестного материала. Молекулярная структура каждой челюсти объединяет белки и ионы металлов, например цинка, благодаря чему ее свойства занимают промежуточное положение между мягкими биологическими тканями и чистыми металлами.
В последней серии экспериментов исследователи провели более 3300 испытаний, делая микроскопические вдавливания в разных участках челюсти. Изменение твердости под нагрузкой подчинялось закономерности, характерной для таких металлов, как медь или серебро. При этом челюсть проявляла и некоторую эластичность, которой металлы не обладают, отмечает профессор Кристиан Хельмих, руководивший исследованием.
На финальном этапе ученые разработали математическую модель биометаллов, которая показывает, как те могут реагировать на деформацию особым образом: на микроуровне возникают силы, возникающие из-за того, что ионы металлов выстраиваются в линии, напоминающие определенные дефекты кристаллической решетки.
Исследователи были удивлены, обнаружив столько нового в таком относительно простом животном. Проводить механические испытания на челюстях размером в несколько миллиметров было крайне сложно и требовало сотен часов подготовки и шлифовки, признается Хельмих: «По сути, на каждом шагу могло что-то пойти не так».
«Челюсти щетинковых червей невероятно твердые, но при этом очень легкие. Многие отрасли — от автомобилестроения до авиации — ищут новые способы создания твердых и легких материалов. И природа дает ответы!» — говорит биолог Мэттью Ленерт из Кентского государственного университета в Огайо.
«Эволюция каким-то образом сумела извлечь механические свойства, типичные для металла, из ингредиентов белковой природы, и, изучая червя, мы пытаемся понять, в чем тут хитрость», — добавляет профессор Маркус Бюлер из Массачусетского технологического института.
По его словам, долгосрочная цель этих исследований — научиться генетически программировать организмы, чтобы они вырабатывали материалы с заданными свойствами.
Хельмих и его коллеги намерены двигаться в этом направлении — к их группе уже присоединились генетики. Для начала попробуют отключать некоторые гены у червя и посмотрят — какими станут его челюсти.
