Древний морской червь обладает «биометаллическими» челюстями, не похожими ни на что, виденное учеными

Поперечное сечение образца челюсти многощетинкового червя с отмеченными точками тестирования на вдавливание. Источник: Zelaya-Lainez et al.

Представьте, что вы играете в «20 вопросов», и первый вопрос: «Животное, растение или минерал?»

Для древнего морского червя Perinereis cultrifera (который существует и по сей день) ответ оказывается на удивление сложным. Как и у других хищных многощетинковых червей, его челюсти состоят из структурных белков и ионов. Эти твердые ротовые части животные используют, чтобы кусать, дробить и поедать пищу.

Необычный состав и поведение этих челюстей побудили исследователей описать их новым термином: «биометаллы». Эта концепция становится новой областью биофизических исследований.

Что делает биометалл особенным?

Ранее ученые использовали такие фразы, как «металлоподобные биоматериалы» или «биоматериалы со свойствами металлов», для биологических веществ, напоминающих металлы по прочности или электропроводности.

Однако биометаллы определяются более конкретно. Исследователи классифицируют их по трем основным признакам: твердость, реакция на деформацию и структура, образованная ионами и белками.

В исследовании, опубликованном в журнале Biophysics Reviews издательства AIP Publishing, ученые из Венского технического университета (TU Wien) и Венского университета изучили металлоподобное поведение челюстей морского червя. Их цель состояла в том, чтобы прояснить, что отличает биометаллы от других природных материалов.

Ионы металлов укрепляют кончики челюстей

Сначала команда измерила твердость челюстей с помощью наноиндентирования — метода, при котором материал вдавливается на микроскопическом уровне. Они объединили эти тесты с химическим анализом и детальной визуализацией.

Их результаты подтвердили более ранние исследования, показавшие, что ионы металлов более сконцентрированы на кончиках челюстей, чем в центральных областях. Эта более высокая концентрация, вероятно, делает кончики более твердыми и лучше приспособленными для укусов и дробления.

Затем исследователи протестировали челюсти на нескольких глубинах вдавливания. Они обнаружили неожиданный эффект, который также наблюдается в таких металлах, как медь и серебро.

Известный как эффект масштаба наноиндентирования Никса-Гао, этот феномен означает, что меньшие участки материала могут быть более устойчивыми к деформации. В челюстях червя более резкие изменения деформации в крошечных областях, по-видимому, увеличивают сцепление дефектов внутри атомной структуры, создавая характерный масштабный эффект.

Челюсти морского червя ведут себя не как обычные металлы

Хотя челюсти имеют несколько общих черт с привычными металлами, они также обладают механическими свойствами, которые их отличают.

«Челюсти многощетинковых червей также демонстрируют эластичность, зависящую от размера. Это отличительная особенность биометаллов по сравнению со стандартными кристаллическими металлами, такими как медь или серебро», — сказал автор исследования Кристиан Хельмих.

Команда использовала математические модели, чтобы объяснить, как эти необычные упругие эффекты могут возникать на атомном уровне. Однако, по словам Хельмиха, исследователи только начинают понимать эти природные материалы.

Природа может вдохновить на создание новых материалов

«Мы планируем расширить экспериментальную базу, исследуя дополнительные виды, чтобы уточнить теоретическую концепцию и провести целенаправленные вычисления, и, что, возможно, самое интересное, изучить связь между генетическими вмешательствами и соответствующим пространством дизайна материалов», — сказал он. «Все это связано с неподдельным восхищением красотой, элегантностью и изысканностью, которые можно найти в природе и которые созданы ею».

Источники:

Материалы предоставлены Американским институтом физики.

Luis Zelaya-Lainez, Friedrich S. Schuster, Stefan Manhartseder, Maximilian Landegger, Kyojiro N. Ikeda, Florian Raible, Olaf Lahayne, Stefan Scheiner, Christian Hellmich. “Bio-metals”: Ancient biological materials with nanoindentation size effects: Experiments and elements of manifold micromechanics. Biophysics Reviews, 2026; 7 (3) DOI: 10.1063/5.0325367