1457
Уявіть гру «20 запитань», що починається з класичного: «Тварина, рослина чи мінерал?» Для давнього морського черв’яка Perinereis cultrifera, який існує й досі, відповідь виявляється напрочуд складною. Як і інші хижі багатощетинкові черви, цей вид має щелепи, побудовані зі структурних білків та іонів металів, і використовує ці тверді ротові частини, щоб кусати, дробити й поїдати здобич. Незвичний склад і поведінка цих щелеп змусили дослідників описати їх новим терміном — «біо-метали».
Раніше науковці вживали формулювання на кшталт «металоподібні біоматеріали» для біологічних речовин, що нагадують метали за міцністю чи електропровідністю. Біо-метали ж визначають конкретніше — за трьома головними ознаками: твердістю, реакцією на деформацію та структурою, яку формують іони й білки. У дослідженні, опублікованому в журналі Biophysics Reviews, науковці з Віденського технічного університету та Віденського університету вивчили металоподібну поведінку щелеп цього черв’яка, щоб прояснити, чим біо-метали відрізняються від інших природних матеріалів.
Команда спершу виміряла твердість щелеп методом наноіндентації — коли в матеріал вдавлюють вістря на мікроскопічному рівні, — поєднавши тести з хімічним аналізом і детальним зображенням. Результати підтвердили попередні дослідження: іони металів сконцентровані більше на кінчиках щелеп, ніж у центральних ділянках. Ця вища концентрація, ймовірно, робить кінчики твердішими й краще пристосованими для кусання й дроблення.
Потім дослідники випробували щелепи на різних глибинах вдавлювання й виявили несподіваний ефект, який спостерігають і в металів на кшталт міді та срібла. Відомий як розмірний ефект наноіндентації Нікса-Гао, це явище означає, що менші ділянки матеріалу буває важче продавити. У щелепах черв’яка різкіші зміни деформації на крихітних ділянках, схоже, посилюють «зчеплення» дефектів усередині атомної структури, породжуючи характерний розмірний ефект.
Утім, попри спільні риси зі звичними металами, щелепи мають і механічні властивості, що їх вирізняють. «Щелепи багатощетинкових червів також показали розмірнозалежну пружність. Це визначальна риса біо-металів порівняно зі стандартними кристалічними металами на кшталт міді чи срібла», — пояснив співавтор Крістіан Гельміх. Команда використала математичні моделі, щоб пояснити, як ці незвичні пружні ефекти можуть виникати на атомному рівні.
За словами Гельміха, науковці лише починають розуміти ці природні матеріали. У планах — розширити експериментальну базу, дослідивши додаткові види, уточнити теоретичну концепцію й провести спеціальні розрахунки, а також, що особливо цікаво, вивчити зв’язок між генетичними втручаннями й відповідним «простором дизайну» матеріалу. Тобто в перспективі можна буде розуміти, як гени впливають на властивості біо-металу.
Значення відкриття виходить за межі зоології: воно розширює саме уявлення про те, які матеріали здатна створювати природа. Біо-метали поєднують органічну основу з мінеральними компонентами так, що результат поводиться то як метал, то як щось цілком інше. Це може надихнути матеріалознавців на нові підходи до створення міцних, легких і водночас «вирощених» матеріалів. «Усе це супроводжується щирим захопленням красою, елегантністю й витонченістю, які можна знайти в природі й які вона сама створює», — підсумував учений.
