蝎子,蜘蛛和蚂蚁如何刺穿硬皮肤的秘诀

许多小动物从充满锌,溴和锰的材料中生长出牙齿,爪子和其他“工具”,最多达20%的材料重量。我的同事和我打电话

许多小动物从充满锌,溴和锰的材料中生长出牙齿,爪子和其他“工具”,最多达20%的材料重量。

我和我的同事称这些“重型元素生物材料”,在新论文中,我们建议这些材料使动物可以种植手术刀呈现和精确形状的工具,这些工具具有抗折断,变形和磨损的能力。

由于诸如蚂蚁牙齿之类的尺寸很小,因此生物学家很难测试它们由抗裂缝,撞击和擦伤制成的材料的好处。我的研究小组开发了测试这些和其他属性的机器和方法,并与我们的合作者一起研究了它们的组成和分子结构。

我们检查了蚂蚁下颌骨牙齿,发现它们是蛋白质和锌的平滑混合物,单个锌原子附着在约四分之一的氨基酸单元上,构成形成牙齿的蛋白质。相反,钙化工具(如人牙)是由相对较大的钙矿物质制成的。我们认为,沉重元素生物材料中缺乏块状,使它们比钙化材料更好,形成光滑,精确的形状和极其清晰的工具。

为了评估重元生物材料的优势,我们估计使用用不同材料制成的工具切割所需的力,能量和肌肉大小。与这些动物生长的其他硬材料相比,耐磨的锌材料可实现大量使用的工具,仅使用五分之一的力刺穿僵硬的物质。相对于钙化材料,估计的优势甚至更大,因为它们不能像重型元素一样锐利,因此需要超过100倍的力。在蚂蚁下颌骨的重要切割和刺穿边缘,蠕虫下巴和其他“工具”(Robert Schofield,CC BY-ND)

为什么重要

毫不奇怪,可以制造锋利工具的材料会在小动物中发展。 tick虫和狼都需要刺穿同样的麋鹿皮肤,但狼的肌肉更强。 tick可以通过使用将力重点放在较小区域的清晰工具来弥补其微小的肌肉。

但是,就像尖锐的铅笔尖端一样,更清晰的工具尖端更容易断裂。小动物使用长薄工具延伸其覆盖范围的趋势使骨折的危险更加严重 – 如上图所示。对于没有用钝化工具切割的力量的小动物,碎裂的爪子或牙齿可能是致命的。

但是我们发现,沉重的元素生物材料也特别坚硬且耐损害。

从进化的角度来看,这些材料允许较小的动物消耗更坚硬的食物。并且在切割过程中使用较少的力量节省的能量对于任何动物都很重要。这些优势可能解释了自然界中重型元素生物材料的广泛使用 – 大多数蚂蚁,许多其他昆虫,蜘蛛及其亲戚,海洋蠕虫,甲壳类动物和许多其他类型的生物都使用它们。

尽管我的团队的研究阐明了重元生物材料的优势,但我们仍然不知道锌和锰如何硬化和保护工具。

一种可能性是,例如,一小部分锌形成蛋白质之间的桥梁,而这些交联使材料变硬了 – 例如横梁使建筑物变硬。我们还认为,当尖牙猛烈地撞到一些东西时,这些锌交叉链接可能会首先断裂,从而吸收能量以防止尖牙自身碎裂。

我们推测,丰富的额外锌是可以通过快速重新建立蛋白质之间破裂的锌 – 齐丁链路交联来治愈材料的现成供应。

下一步是什么?

这些材料自我修复的潜力使它们变得更加有趣,而我们的团队的下一步是检验这一假设。最终,我们可能会发现,重元素生物材料的自我修复或其他特征可能会为小型医疗设备等材料提供改进的材料。

俄勒冈大学物理研究教授罗伯特·斯科菲尔德(Robert Schofield)

本文根据Creative Commons许可从对话中重新发布。阅读原始文章。

原创文章,作者:小彭山,如若转载,请注明出处:http://www.dsonekey.com/3085.html

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

联系我们

400-800-8888

在线咨询:点击这里给我发消息

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息