Откъде идва силата на безгръбначните?

Наука Природа • •

Химични елементи, като цинк и мед, се смесват с естествени протеини, за да изградят силни жила и челюсти, установява ново проучване.

Кралски паяк скачач демонстрира своите челюсти.

Кралски паяк скачач демонстрира своите челюсти.

© Илюстрация: Емануел Биги

За да се впият в елен, кърлежите първо трябва да пробият дебелата кожа, покрита с козина. За мравките листорезки няма нищо по-лесно от прегризването на жилави тропически листа. А скорпионите използват опашките си, за да инжектират отрова в плячка, няколко пъти по-голяма от тях самите.

Подобни чудеса отдавна предизвикват интереса на Робърт Шофийлд, физик в Орегонския университет. Откъде идва огромната сила на тези малки същества?

Отговорът, според новата му статия, публикувана в Scientific Reports, се крие в структурата на атома на техните оръжия.

Учените вече знаят, че долните челюсти, зъбите и жилата на някои видове безгръбначни съдържат големи количества тежки метали, като цинк, мед и манган (до 20 % от теглото при някои видове). Но това, което те не знаеха досега, е, че тези метали са свързани с протеини на издръжливостта, които също се намират в съответните части на тялото на безгръбначните.

След анализ на молекулно ниво, Шофийлд и колегите му научават, че отделните атоми на металите са вплетени в протеините и по този начин създават здрав и издръжлив композитен материал, който те наричат биоматериали с тежки елементи.

По-добро от биоминералите

Има още един начин, по който животните образуват издръжлив естествен материал. И той се нарича биоминерализация. Този широко разпространен процес се случва, когато протеините в тялото на животното се обвиват около големи минерални кристали, например в костите или в някои раковини. Костта например е мощна смес от минерали (предимно калциев карбонат) и протеини, които освен твърдост осигуряват на скелета на животното и необходимата гъвкавост, далеч отвъд възможностите на всеки друг материал.

Но биоминерализацията има своите граници: Мидите например са счупват лесно. „Създаването на нещо остро от биоминерал, е като направиш нож от тухла“, казва Шофийлд.

Биоминералите не са решение при повечето безгръбначни, тъй като те се нуждаят от остри, здрави части на тялото, които могат да издържат при непрекъсната употреба. Счупеното жило би било смъртна присъда за скорпиона. Така че те са намерили друг начин, казва физикът.

Мощна комбинация от тежки метали и естествени протеини

За своето проучване, Шофийлд заедно с колеги от Тихоокеанска северозападна национална лаборатория (PNNL) изследват части от тялото на мравки, паяци, скорпиони, мекотели и един вид морски червей. Те откриват, че тежките метали (като цинк и манган), са равномерно разпределени в тялото на безгръбначните. Явление, което не се наблюдава при материала, от който са изградени костите, нито при биоминералите. Новооткритата атомна структура позволява на частта от тялото да бъде по-остра и устойчива на продължително използване, отколкото протеините, които не съдържат метали.

Освен това, биоматериалите, съдържащи тежки елементи, осигуряват допълнително предимство – мравката например използва 60 % по-малко енергия, за да прореже листата, отколкото ако нямаше тази атомна структура, изчислява екипът.

И все пак Шофийлд има много много въпроси. Един от тях е дали тези естествено здрави материали са еволюирали само веднъж или много отделни пъти в различни групи безгръбначни - от ракообразни до стоножки.

Потенциал за създаването на по-здрави човешки инструменти

„Наистина е страхотно как тези метали създават по-издръжливи животински инструменти“, казва Стефани Крофтс, биолог от Колежа на Светия кръст в Уорчестър, Масачузетс, която не участва в проучването.

“Но това откритие е страхотно и защото може да вдъхнови инженерите да създадат нови продукти, които са леки, здрави и устойчиви при ежедневна употреба, например по-малки мобилни телефони и по-здрави преносими медицински апарати, като инсулинови помпи. Биоматериалите с тежки елементи са поредният пример за това, че природата знае най-добре”, допълва Крофтс.