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它们竟然利用重金属打造自己的工具

国家地理中文网
2021-09-17
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一只圈养的皇家跳蛛正在展示自己色彩斑斓的尖牙。摄影:EMANUELE BIGGI, NATURE PICTURE LIBRARY

一项新研究发现,锌、铜等元素与天然蛋白混合后,会产生坚固耐用的尖刺、爪子和颚部。

撰文:CARRIE ARNOLD

想要紧附在鹿身上,蜱虫首先必须刺穿厚厚的鹿皮;切叶蚁可以轻松咬断坚硬的热带树叶;蝎子能用尾巴给比自己大很多倍的猎物注入毒液。

俄勒冈大学的物理学家一直对这样的神奇现象很感兴趣:这些小家伙是怎样实现猛力一击的?

根据他发表于《科学报告》上的新论文,这个问题的答案在于这些工具的原子结构。

科学家已经知道,很多无脊椎动物的颚部、尖牙和尖刺中含有大量重金属,比如锌、铜和锰;在一些物种体内,这些金属甚至占体重的20%。但他们不知道这些金属与无脊椎动物体内坚固耐用的蛋白质有什么关联。

通过分析分子层级的蛋白质和重金属,Schofield和同事发现,每个金属原子被编织进蛋白质,创造出一种坚固耐用的复合材料,他们称之为“重元素生物材料”。

“加入这些元素后,工具会变得更耐用,这太神奇了,”马萨诸塞州圣十字学院的生物学家Stephanie Crofts说,她没有参与此次研究。“这项研究详细分析了这在一系列生物身上的发生过程,它可能比我们以为的更普遍。”

Crofts还补充说,这种重元素生物材料也许会为工程师设计新产品带来灵感,比如更小的手机和更坚固的医疗设备。

胜过生物矿物

当然,动物已经有另一种方法,形成坚硬的自然材料。这个常见的过程被称为“生物矿化”,比如骨头或一些贝壳,动物体内的蛋白质包裹在大的矿物晶体周围。骨头是矿物质(主要是碳酸钙)和蛋白质的强力组合,蛋白质为动物骨骼提供了必要的灵活性,在拉伸和挤压方面,骨头远超两种材质本身的特性。

但生物矿化也有局限性,容易破碎的贝壳就是案例。“用生物矿物打造锋利的东西,就像把砖块磨成刀,”Schofield说。20世纪80年代末,一只蚂蚁从他的办公室地板爬过,自那之后,他一直在研究无脊椎动物的颚部和爪子;现在他依然在那间办公室里工作。

对于很多无脊椎动物而言,生物矿化不是答案,因为它们需要锋利坚固、持续使用的身体部位。例如,破碎的毒针对于蝎子来说无异于被判处死刑。所以,它们有别的办法,Schofield说。

金属与蛋白质的强力混合物

在最新研究中,Schofield与来自西北太平洋国家实验室、俄勒冈州立大学的同事检查了蚂蚁、蜘蛛、蝎子、软体动物和一种海洋蠕虫的身体部位。研究团队开发了微型探针,用以检测这些部位的机械性能,并逐个原子进行分析。

他们发现,不同于骨骼和其他生物矿物,锌和锰等重金属均匀地分布在无脊椎动物的身体部位。与没有金属的蛋白质相比,这种原子结构使身体部位更锋利,可以承受更多磨损和撕扯。

重元素生物材料还有一个益处:节约体力。根据研究团队的计算,与没有这种原子结构的蚂蚁相比,切叶蚁切割树叶时消耗的能量少60%。

不过,Schofield还有很多问题,比如从甲壳动物到蜈蚣,这些天然的坚硬材料在不同的无脊椎动物种群中,是进化了一次,还是很多次,

与此同时,这一发现将为人类工具开发带来新的可能,Crofts说。

例如,工程师一直在寻找更好的办法,制作体积更小且不容易碎裂的物体,比如智能手机,胰岛素泵等可穿戴医疗设备。

把蛋白质和重金属按照同样的原子顺序排列,来制造工具,这样打造的产品更轻、更结实、更能经受日常使用,Crofts说——毕竟,大自然最了解这个世界。

(译者:sky4)

责任编辑:Quan

*以上内容转载自国家地理中文网,跟着地图走对内容或做细微删改,不代表本网站赞同其观点和对其真实性负责。

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