Многие известные изобретатели были внимательными наблюдателями, что позволило им подсмотреть многие идеи у природы, которая вдохновляет ученых на открытия и по сей день. Так физик Роберт Шофилд обратил внимание, что многие беспозвоночные, несмотря на свои крошечные размеры, обладают весьма прочными “инструментами”. К примеру, чтобы клещу впиться в животное, ему необходимо проткнуть толстую, покрытую шерстью кожу. Муравьям-листорезам приходится прогрызать жесткие тропические листья, а пятнистые фонарницы вообще разгрызают кору деревьев, чтобы добраться до сока, и такие примеры можно приводить долго.

Роберта Шофилда стал интересовать вопрос — что за материал такой, который выдерживает колоссальные нагрузки и остается невредимым? Ученые давно знали, что он содержит тяжелые металлы, такие как цинк, медь и марганец. В некоторых частях тела отдельных беспозвоночных содержание тяжелых металлов достигает 20% от массы. При этом ученые понятия не имели, как эти металлы связаны с белками. Занимаясь данным вопросом Роберт Шофилд со своей командой исследователей смог найти ответ. Для этого ему пришлось изучать белки и металлы на молекулярном уровне. Как оказалось, “инструменты” беспозвоночных состоят из уникального прочного композитного материала, который ученые впоследствии назвали биоматериалом тяжелых элементов.

Ученым удалось раскрыть секрет сверхпрочного материала, из которого состоят «инструменты» некоторых беспозвоночных

В чем секрет природного материала беспозвоночных

Чтобы раскрыть секрет прочности отдельных частей тела беспозвоночных, Шофилд и его коллеги из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории штата Орегон изучали тела муравьев, пауков, скорпионов, моллюсков и одного из видов морских червей. Команда создала миниатюрные зонды, которые позволяли проверить механические свойства материалов, рассекая их атом за атомом.

Они обнаружили, что тяжелые металлы, такие как цинк и марганец, были равномерно распределены по всей части тела беспозвоночного, в отличие от вещества в костях и других биоминералах. При этом атомы металлов буквально вплетены в белки. Это обеспечивает высокую прочность, долговечность и износостойкость материала. Кроме того, подобная атомная структура позволяет частям тела быть более острой и устойчивый к износу.

Прочные и острые «инструменты» беспозвоночных позволяют им экономить энергию

Благодаря этому материал обеспечивает экономию энергии существам. К примеру, муравей использует на 60 процентов меньше энергии, чтобы прорезать листья, чем если бы у него не было такой атомной структуры.

Тем не менее у Шофилда все еще осталось много вопросов, например, эволюционировали ли эти природные твердые материалы один или несколько раз в разных группах беспозвоночных, от ракообразных до многоножек.

Материал беспозвоночных более прочный, чем кости

Как мы знаем, у животных тоже имеется свой способ формирования выносливого и прочного природного материала. Этот широко распространенный процесс, известный как биоминерализация. Он происходит, когда белки в организме животного обертываются вокруг крупных минеральных кристаллов, например, в костях или некоторых морских ракушках. Поэтому кость представляет собой мощную смесь минералов (в основном карбоната кальция) и белков, которые придают скелету животного необходимую гибкость, растягиваются и сжимаются, намного превосходя по своим свойствам любой минерал сам по себе.

Наши кости выполнены из биоминералов — комбинации белков и карбоната кальция

Но биоминерализация имеет свои недостатки. К примеру, из этого материала невозможно получить достаточно острый инструмент. Как говорит Шофилд, это все равно, что пытаться сделать нож из кирпича. Кроме того, биоминералы гораздо более хрупкие, чем биоматериалы тяжелых элементов.

Поэтому биоминералы не подходят для многих беспозвоночных. Им требуются более надежные и износостойкие части тела. К примеру, разбитое жало скорпиона стало бы для него смертным приговором. Поэтому эволюция нашла для них более подходящий материал.

Материалы с такой же атомарной структурой, как у насекомых и паукообразных открывает новые перспективы перед инженерами

Какой потенциал имеет самый прочный материал беспозвоночных

Как говорят сами исследователи, тяжелые биоматериалы могут вдохновить инженеров на создание новых продуктов. Перед ними всегда стоит задача снизить вес, обеспечить компактность и высокую прочность тех или иных изделий. Материал с таким же атомным расположением белков и тяжелых металлов может привести к получению изделий, которые будут более легкими, прочными и устойчивыми к повседневному использованию.

В первую очередь это касается всевозможных инструментов. Однако материалы, по мнению исследователей, найдется применения во многих других отраслях промышленности. К примеру, его можно использовать для до корпусов мобильных телефонов или аксессуаров для них. Также материал наверняка найдет широкое применение в медицине.

источник