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蜘蛛与其他“小野兽”尖牙利齿的秘方——重金属

蜘蛛与其他“小野兽”尖牙利齿的秘方——重金属

蜘蛛与其他“小野兽”尖牙利齿的秘方——重金属

(蜘蛛网eeook.com报道)据美国国家地理(撰文:CARRIE ARNOLD 编译:曾柏谚):蜘蛛与其他「小野兽」尖牙利齿的秘方──重金属。新研究指出,这些生物在天然蛋白质里混入了锌、铜等元素,创造出相当耐用的螫针、爪子以及大颚。

蜱虫为了紧紧咬附在鹿身上,得先刺穿厚厚的毛皮;切叶蚁可以轻易咬开坚韧的热带树树叶;而蝎子则能用尾巴将毒液注入比自己大上好几倍的猎物体内。

这些超凡能力长期以来吸引着奥勒冈大学的物理学家罗伯特.斯科菲尔德(Robert Schofield)──这些小小生物哪来这么大的劲?

根据斯科菲尔德新发表在《科学报告》(Scientific Reports)期刊上的论文,答案就在它们工具的原子结构上。

科学家早已知道某些无脊椎动物的大颚、尖牙以及螫针中含有锌、铜、锰等大量重金属──在部分物种身上,重金属甚至能占到20%的重量。然而,这些金属与同样存在于些部位中的坚韧蛋白质到底有什么关联,却始终成谜。

斯科菲尔德与同事在分子尺度下分析蛋白质与重金属后,发现这些蛋白质内被织入一颗一颗金属原子,创造出了一种既强韧又耐用的复合材料,他们将其称之为「重元素生物材料」(heavy element biomaterials)。

「加入这些金属来让工具更加耐用,真的很酷。」并未参与此项研究的麻州圣十字学院生物学家斯蒂芬妮.克罗夫茨(Stephanie Crofts)说:「这篇研究说明了许多生物都有这项能力,而且可能比想像中还要常见。」

克罗夫茨补充说,这些「重元素生物材料」或许能启发工程师创造更小的手机和更坚固的医疗设备等产品。

胜过生物矿物

想当然尔,动物早就演化出其他方法来制造坚硬的天然材料。这种被广泛应用的方法称为「生物矿化」(biomineralization),也就是当动物体内的蛋白质包覆住大型矿物结晶,形成像是骨头或是某些贝壳等材质。骨头是矿物(主要是碳酸钙)与蛋白质的强大组合,它能提供动物作为骨骼所必需的弹性、延展性与耐压性,且远远超出这两种材质个别所能企及的程度。

但生物矿化作用有其极限──想想贝壳有多么易碎吧?斯科菲尔德说:「想用生物矿物来打造尖锐的东西,就好比是用砖头来做把刀。」自1980年代末有只蚂蚁缓缓爬过他办公室的地板以来,斯科菲尔德一直在同一间办公室研究无脊椎动物的大颚与爪子。

对于许多需要尖锐、坚固又耐用构造的无脊椎动物来说,「生物矿物」显然不是它们要的答案。斯科菲尔德表示,好比对一只蝎子而言,一根破碎的螫针就等同一份死刑判决,也难怪它们另辟蹊径了。

金属与蛋白的强大复合材料

在最新研究中,斯科菲尔德和来自西北太平洋国家实验室 (Pacific Northwest National Laboratory)以及奥勒冈州的同事,检查了几种蚂蚁、蜘蛛、蝎子、软体动物与刚毛虫的身体结构。研究团队打造了微型探针来检测这些部位的力学性质,并以原子级的精度剖析观察。

研究团队发现,在这些无脊椎动物的身体部位,均匀遍布着锌和锰等重金属,这与骨骼或是其他生物矿物有所不同;含有金属原子结构的蛋白质部位,也更加锋利、耐磨损。
 
重元素生物材料还有项能「节流」的优点:根据研究团队计算,切叶蚁凭着这样的金属原子结构,在切割树树叶时可省下约60%的能量消耗。

斯科菲尔德的疑惑还没有结束,比如从甲壳类到蜈蚣等不同类群的无脊椎动物间,这样的天然坚韧材料是经过一次还是多次独立演化而来?

克罗夫茨表示,这项发现也同时创造出人类工具新的可能。

举例来说,工程师一直在想怎么样才能打造出又小又牢靠的东西,像是智慧型手机,以及穿戴式医疗装置(如胰岛素泵)。

克罗夫茨说,如法炮制蛋白质与重金属原子的排列方式来打造工具,就能让产品更轻巧、坚固,还能应付日常使用,这又是一个「天然的尚好」的例子啦!




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