Фізика
Біологія
Фізика
Біологія

Цинк рівномірно розподілився у зубах мурах і зекономив їм сили на укус

Американські фізики вирішили виміряти твердість, еластичність, енергію руйнування, опір стиранню і ударостійкість мурашиних зубів, бо успіх цих параметрів погано відповідав їхнім уявленням про будову комашиних щелеп. Втім, експерименти з іклами мурах, виявили, що ті мають надзвичайно рівномірну структуру, де головну роль зіграв цинк. Він зв'язався зі чвертю білків у зубах мурахи та приблизно на дві третіх позбавив комаху необхідності докладати зусиль при укусі. Як вчені чавили алмазним зондом зуби мурах, а також жала скорпіонів, ікла павуків та порівнювали їх з зубами лосося і клешнями рака, вони описали у Scientific Reports.

Pjt56 / Wikimedia Commons

Pjt56 / Wikimedia Commons

Навіщо вчені полізли у пащу мурах?

Робочі «інструменти» більшості тварин, тобто пащурі, зуби та жала, можна поділити на два різних класи неорганічних біологічних матеріалів. Перший — це біомінералізовані тканини на основі кальцію, заліза і кремнію,заповнені магнетитом. Такими захищаються, наприклад, молюски. Мінеральні включення в органічну матрицю зазвичай не перевищують і сотні нанометрів. Втім, існує і другий клас, який і цікавить вчених своїми надзвичайними механічними властивостями. У ньому домінуючими неорганічними елементами є важкі метали або важкі галогени — цинк, марганець, бром і мідь у концентраціях до 25 відсотків всієї маси зуба або голки жала. Такою будовою активно послуговується більшість павукоподібних, багатоніжок, ракоподібних і морських черв'яків.

Інтерес до них пов'язаний не лише з надзвичайно високими показниками твердості і модуля пружності, а і стійкістю до стирання, адже повторно заточити свої «інструменти» тварини точно не вміють. Тож автори цього дослідження, з університету Орегону, вирішили, що їм не вистачає прямих експериментів та озброївшись алмазним зондом та мікроскопом взялися перевіряти частини тіла комах та деяких риб на міцність. У дослідженні взяли участь мурахи-листорізи, нереїдові багатощетинкові черви, скорпіони Hadrurus arizonensis, павуки-хрестовики та голови лосося з місцевого магазину морепродуктів. Всіх їх перевіряли на міцність, модуль пружності, стійкість до стирання та ударостійкість, а також досліджували роль марганцю і цинку у забезпеченні таких конструкційних властивостей.

Тварини, які можуть похвалитися важкими металами у будові своїх жал та зубів: щелепи скорпіона Centruroides exilicauda зліва та Paruroctonus mesaensis справа під іонним мікроскопом(а, b, g), «інструменти» морських червів Nereis vexillosa зліва, Glycera convoluta у центрі та челюсть Nereis vexillosa справа (d), зображення з растрового електронного мікроскопа нижньої щелепи мурахи Atta cephalotes (e), гострі гребені скорпіона Paruroctonus boreus (f), хеліцери павука Araneus diadematus (h). R. M. S. Schofield / Scientific Reports, 2021

Тварини, які можуть похвалитися важкими металами у будові своїх жал та зубів: щелепи скорпіона Centruroides exilicauda зліва та Paruroctonus mesaensis справа під іонним мікроскопом(а, b, g), «інструменти» морських червів Nereis vexillosa зліва, Glycera convoluta у центрі та челюсть Nereis vexillosa справа (d), зображення з растрового електронного мікроскопа нижньої щелепи мурахи Atta cephalotes (e), гострі гребені скорпіона Paruroctonus boreus (f), хеліцери павука Araneus diadematus (h). R. M. S. Schofield / Scientific Reports, 2021

Як спробувати мурах на зуб?

Всі механічні властивості відібраних вченими зразків тестувалися через вдавлювання гострого алмазного зонда — за тим, як він руйнував мурашині щелепи чи ікла павуків, вчені могли вирахувати всі необхідні параметри. Так, наприклад, вищий модуль пружності вказує на те, що конструкція більш жорстка і легко відновлюється після деформації. Але так само енергія, що витрачається на значну внутрішню перебудову структури під час тиску, у матеріалах з нижчим модулем пружності, збільшує енергетичні витрати на руйнування і так забезпечує більшу ударостійкість. Також дослідники застосували атомно-зондову томографію, яка дала змогу вивчити хімічний склад зразків із точністю до однієї десятої нанометра. Масштаб хімічних елементів-складових, «будівельних блоків» цих еволюційних переваг мурах і скорпіонів, є надзвичайно важливим фактором, адже зумовлює всі механічні властвості через хімію зв'язування важких елементів.

Зображення випробувальних зразків. На (а) зображення з атомно-силового мікроскопа голки скорпіона Hadrurus arizonensis, на (b) нижня щелепа мурахи Atta cephalotes до (зліва) та після експериментів на стійкість до сточування, зображення до та після випробувань на міцність ікла павука Araneus diadematus (с), а також до та після випробування на ударостійкість зразка (d). R. M. S. Schofield / Scientific Reports, 2021

Зображення випробувальних зразків. На (а) зображення з атомно-силового мікроскопа голки скорпіона Hadrurus arizonensis, на (b) нижня щелепа мурахи Atta cephalotes до (зліва) та після експериментів на стійкість до сточування, зображення до та після випробувань на міцність ікла павука Araneus diadematus (с), а також до та після випробування на ударостійкість зразка (d). R. M. S. Schofield / Scientific Reports, 2021

То які щелепи мурах на міцність?

Оскільки метою роботи було з'ясувати саме вплив цинку на механічні властивості органів тварин, то вчені побудували мапу його розподілу, зокрема у щелепах мурах. Так з'ясувалося, що цей елемент неймовірно рівномірно розподілений, не збираючись у окремі вузли, як цього очікували дослідники. Такий розподіл дозволяє зубам бути набагато гострішими, тож нічого не заважає мурахам прогризати деревину, обробляти листа та боляче кусатися. Причому їм на це знадобиться на 60 відсотків менше зусиль завдяки тому, що значна різкість укусу або розрізання та протикання завдяки гостроті дає змогу зекономити енергію. За словами вчених, на користь того, що цинк сприяє на механічні властивості щелеп, свідчіить і те, що зуби мурах швидко тверднуть навколо кутикули з моменту, коли у ній з'являється цинк. І так само комахи втрачають свої вміння, коли вміст цинку з часом зменшується. Така структура показує набагато кращі якості за «інструменти» з мінералів, а основною перевагою матеріалів, що містять цинк і марганець, в порівнянні з простими органічними є те, що вони більш жорсткі (вищий модуль пружності), але при цьому однаково стійкі до пошкоджень, про що свідчить їхня висока твердість. Вона ж вказує і на стійкість до залишкової пластичної деформації, яка відповідає за сточування чи сколювання поверхонь, як це відбувається, наприклад, у лезах бритв, де найслабшими виявляються місця стику зерен різної жорсткості. Дослідники сподіваються використати отримані результати для створення нових матеріалів для тих же медичних пристроїв, а також для кращого розуміння взаємодії тварин з навколишнім середовищем і їхньої еволюції.

Порівняння структури біомінералізованих клешень краба (а, b) проти педипальпа скорпіона (с), ікла павука (d) та голки скорпіона, що мають цинк у структурі. R. M. S. Schofield / Scientific Reports, 2021

Порівняння структури біомінералізованих клешень краба (а, b) проти педипальпа скорпіона (с), ікла павука (d) та голки скорпіона, що мають цинк у структурі. R. M. S. Schofield / Scientific Reports, 2021