Представьте себе игру в «20 вопросов», где первым делом спрашивают: «Это животное, растение или минерал?». Для древнего морского червя Perinereis cultrifera, который существует и поныне, ответ оказывается на удивление неочевидным. Подобно другим хищным щетинковым червям, его челюсти сформированы из структурных белков и ионов, и животные используют эти твёрдые ротовые части для укусов, раздавливания и поглощения пищи. Необычный состав и поведение этих челюстей привели к тому, что их стали описывать новым термином — биометаллы, и эта концепция сейчас превращается в свежую область биофизических изысканий.
Ранее учёные применяли такие формулировки, как «металлоподобные биоматериалы» или «биоматериалы с металлоподобными явлениями», для биологических веществ, обладающих прочностью или электропроводностью, свойственной металлам. Однако биометаллы получили более точное определение. Исследователи классифицируют их по трём ключевым элементам: твёрдости, состояниям напряжения и нестабильности, образованной ионами и белками. В публикации в журнале Biophysical Reviews издательства AIP Publishing учёные из Венского технического университета (Венский технологический университет) и Венского университета исследовали металлоподобное поведение челюстей морского червя, стремясь прояснить, что отличает биометаллы от других внешних материалов.
Ионы металлов укрепляют кончики челюсти
Команда впервые измерила твёрдость с помощью наноиндентирования — метода, при котором на микроскопическом уровне создаётся углубление в материале. Эти тесты проводились параллельно с химическим анализом и детальной визуализацией. Полученные результаты подтвердили более ранние исследования, показавшие, что ионы металлов более заметны на кончиках челюстей, чем в их центральных участках. Такая повышенная концентрация, вероятно, способствует тому, что наконечники становятся более твёрдыми и лучше приспособленными для кусания и дробления.
Затем исследователи протестировали челюсти, создавая углубления на нескольких глубинах. Они обнаружили неожиданный эффект, который также наблюдается в таких металлах, как медь и серебро. Это явление, известное как масштабный эффект наноиндентирования Никса-Гао, означает, что на меньших участках материала труднее сохранять вмятины. В челюстях червя более резкое изменение напряжения в микроскопических областях, по-видимому, усиливает переплетение дефектов внутри атомной структуры, создавая характерный эффект размера.
Хотя челюсти имеют некоторые общие черты с известными металлами, у них также есть механические свойства, которые выделяют их. «Челюсти щетинистых червей также выглядят выразительно, контурно от размера. Это уникальная форма биометаллов по сравнению со стандартными кристаллическими металлами, такими как медь или серебро», — отметил писатель Кристиан Хеллмих. Команда использовала математические модели, чтобы объяснить, как эти эффекты необычной упругости могут возникать на атомном уровне, однако, по словам Хелмиха, исследователи только начинают понимать эти природные материалы.
«Мы придерживаемся прогрессивных экспериментальных источников данных, исследуя дополнительные виды, чтобы уточнить теоретическую основу и выбрать специальные вычисления, и, что, возможно, самое интересное, изучить связь между генетическими показателями и соответствующими космическими материалами дизайна», — добавил он. «Всё это вызывает настоящий восторг от красоты, солнечности и утончённости, найденных и созданных природой».