Морской червь Perinereis cultrifera обладает челюстями, которые стирают границу между биологией и металлом. Созданные из белков и ионов металлов, кусающие органы этого древнего морского червя затвердевают к кончикам и ведут себя так, как это обычно происходит с медью или серебром.
Исследователи из Венского технического университета и Венского университета изучили эти необычные механические свойства в журнале Biophysics Reviews. Их работа подтверждает предложенную категорию «биометаллы», которая описывает природные материалы, сочетающие полимероподобные структуры с твердостью и деформацией, характерными для металлов.
Этот термин более конкретен, чем такие обозначения, как «металлоподобные биоматериалы». Исследователи утверждают, что биометалл следует оценивать по трем признакам: твердости, деформационному поведению и ионно-белковой структуре.
Perinereis cultrifera, хищный щетинковый червь, сохранившийся до наших дней, представляет собой полезный пример для изучения. Его челюсти содержат структурные белки, связанные с ионами металлов. Червь использует их для укуса, раздавливания и поедания.
Более твердые кончики появляются из-за неровной челюсти.
Исследовательская группа изучала челюсть целиком, а не только по ее средней плоскости. Они протестировали 11 участков в центральной и кончиковой частях челюсти.
Используя метод наноиндентирования, исследователи вдавливали крошечный зонд в материал на шести разных глубинах. Этот метод создает микроскопические вмятины и измеряет, насколько сильно образец сопротивляется им.
Химический анализ и визуализация показали, что концентрация ионов металлов была выше вблизи кончиков челюстей, чем в центре. Эта закономерность подтвердила более ранние наблюдения и, вероятно, объясняет, почему кончики челюстей более твердые.
Твердость челюсти не была равномерной на всех масштабах. Более мелкие вмятины встречали большее сопротивление, чем более глубокие, а это значит, что меньшие по размеру исследуемые участки казались более твердыми.
Такое поведение соответствует эффекту размера при наноиндентировании Никса-Гао, соотношению, обычно наблюдаемому в кристаллических металлах. Согласно этому соотношению, квадрат твердости увеличивается по мере уменьшения глубины вдавливания.
Медь и серебро могут демонстрировать одинаковую картину. В этих материалах эффект обычно связан с дислокациями, которые представляют собой линейные неровности внутри атомной решетки.
Челюсть червя не имеет традиционной металлической кристаллической решетки. Вместо этого ее структура состоит из ионно-координированных белков. Тем не менее, ее твердость подчинялась одному и тому же закону зависимости от размера как в центральной, так и в концевой областях.
Металлоподобный эффект внутри белковой матрицы
Полученные результаты подтверждают ранее сделанные данные о том, что пластичность, обусловленная градиентом деформации, также действует в этом биологическом материале. Деформация описывает, как материал изменяет свою форму под действием силы. Градиент деформации описывает, как эта деформация изменяется в пространстве.
При очень малой глубине вдавливания деформация резко изменяется на коротком расстоянии. Это может увеличить сопротивление деформации и создать впечатление большей твердости исследуемой области.
Это открытие примечательно, поскольку эффект Никса-Гао широко рассматривается как важная особенность кристаллических металлов. Обнаружение его в челюсти на основе белка показывает, что аналогичное механическое поведение может проявляться в совершенно иной микроскопической структуре.
Исследователи не ограничились измерением твердости. Их измерения также выявили зависимое от размера изменение эластичности.
«Челюсти червей-щетинок также продемонстрировали эластичность, зависящую от размера — это отличительная особенность биометаллов по сравнению со стандартными кристаллическими металлами, такими как медь или серебро», — сказал автор Кристиан Хеллмих.
Эластичность описывает, как материал деформируется, а затем возвращается к своей первоначальной форме. В челюсти щетинного червя эта реакция изменялась в зависимости от размера исследуемой области.
Медь и серебро могут проявлять эффект зависимости твердости от размера, но они не демонстрируют той же упругой структуры, которая описана для челюсти. Это различие помогает отличить биометаллы от обычных кристаллических металлов.
Моделирование сил в меньших масштабах
Для объяснения упругого эффекта команда использовала математическое моделирование, основанное на «многогранной микромеханике». Эта концепция связывает мельчайшие структурные силы с более крупным механическим откликом материала.
Исследователи рассмотрели концентрированные микроскопические силы, известные как силы Пича-Кёлера. Эти силы связаны с дислокационными складками внутри ионно-координированной белковой матрицы.
Согласно модели, эти складки могут создавать градиенты деформации, достаточно большие, чтобы влиять на материал в масштабе, представленном в экспериментах. Результат предлагает теоретическое объяснение того, почему упругость изменяется с глубиной вдавливания.
Данная работа связывает воедино все три части предложенного определения биометалла. Челюсть сочетает в себе необычайную твердость, зависящую от размера механику деформации и структуру, построенную из белков, координируемых ионами.
Классификация не утверждает, что челюсть изготовлена из обычного металла. Вместо этого она признает сочетание свойств, которое не вписывается в более старые описания.
Это различие важно, поскольку такие фразы, как «биоматериал, подобный металлу», могут в широком смысле описывать природные вещества, обладающие прочностью или проводимостью, сходными с металлами. Концепция биометалла добавляет структурные и механические требования.
Древний материал поднимает новые вопросы.
Полученные данные основаны на исследовании одной челюсти, принадлежащей одному виду. Команда планирует изучить других щетинковых червей и расширить экспериментальную базу данных.
Увеличение выборки позволило бы показать, наблюдаются ли одинаковые закономерности твердости и эластичности у разных видов. Это также помогло бы уточнить теоретическую основу предлагаемой классификации.
«Мы планируем расширить экспериментальную базу данных, изучив дополнительные виды, чтобы уточнить теоретическую концепцию и провести специальные вычисления, а также — что, пожалуй, наиболее интересно — исследовать связь между генетическими вмешательствами и соответствующим пространством проектирования материалов», — сказал Хеллмих.
«Все это вызывает неподдельный восторг от красоты, изящества и утонченности, которые мы находим в природе и которые она создает».
Запланированные генетические исследования поднимают еще один вопрос: могут ли изменения в генах изменить состав и механические свойства челюсти.
На данный момент исследование предоставляет более четкую экспериментальную основу для рассмотрения этих челюстей как отдельного материала. Сочетание полимерных и металлических свойств делает их необычными с точки зрения биологии и материаловедения.
Практические последствия исследования
Более четкое определение биометаллов могло бы помочь биофизикам сравнивать природные материалы, в которых ионы используются для упрочнения белковых структур. Это также могло бы помочь в изучении того, как твердость и эластичность возникают без традиционной металлической решетки.
Исследование большего количества видов могло бы выявить, какие признаки широко распространены, а какие присущи только определенным видам червей. Такие сравнения помогли бы уточнить модели деформации, напряжения и ионно-белковой организации.
Данное исследование также создает основу для изучения того, как генетические изменения могут влиять на свойства материалов. Подобная работа могла бы прояснить, как живые организмы контролируют структуру твердых тканей на микроскопическом уровне, одновременно расширяя новые области биофизики и биоинженерии.
Результаты исследований доступны в режиме онлайн в журнале Biophysics Reviews.
Оригинальная статья «Биометаллы: древние морские черви хранят секрет нового, необычного класса материалов» опубликована в издании The Brighter Side of News.
Похожие статьи
-
Плоские черви бросают вызов законам стволовых клеток, предлагая модель для регенерации человеческого организма.
-
Исследование показало, что первыми животными на Земле могли быть морские губки.
-
Ученые обнаружили гигантских хищных червей, возраст которых составляет 518 миллионов лет.
Нравятся такие позитивные истории? Подпишитесь на рассылку The Brighter Side of News .