Kim loại nặng mang lại cho nhện và các loài động vật nhỏ bé khác sức cắn mạnh mẽ của chúng như thế nào ?

 Một nghiên cứu mới cho biết các nguyên tố như kẽm và đồng kết hợp với protein tự nhiên để tạo ra ngòi, móng vuốt và hàm bền vững.

Để bám vào một con nai, trước tiên bọ ve phải chọc thủng một lớp da dày và nhiều lông. Kiến cắt lá dễ dàng gặm nhấm những chiếc lá nhiệt đới dai. Và bọ cạp dùng đuôi để tiêm nọc độc vào những con mồi lớn hơn mình nhiều lần.

Những điều kỳ diệu như vậy đã thu hút nhà vật lý Robert Schofield của Đại học Oregon từ lâu . Làm thế nào để những sinh vật nhỏ bé này tạo ra một cú đấm quá lớn như vậy?

Câu trả lời, theo bài báo mới được công bố trên tạp chí Scientific Reports , nằm ở cấu trúc nguyên tử của các công cụ của họ.

Các nhà khoa học đã biết rằng răng hàm, nanh và ngòi của  một số loài động vật không xương sống có chứa một lượng lớn kim loại nặng, chẳng hạn như kẽm, đồng và mangan - lên tới 20% trọng lượng ở một số loài. Nhưng họ không biết làm thế nào mà các kim loại liên quan đến protein bền cũng được tìm thấy trong các bộ phận cơ thể của động vật không xương sống này . (Xem nhện hàm bẫy búng hàm của chúng với tốc độ đáng kinh ngạc.) 

Bằng cách phân tích các protein và kim loại nặng ở cấp độ phân tử, Schofield và các đồng nghiệp đã biết được rằng các nguyên tử kim loại riêng lẻ được đan vào các protein để tạo ra một vật liệu composite bền, lâu dài, mà họ gọi là vật liệu sinh học nguyên tố nặng.

Stephanie Crofts , một nhà sinh vật học tại Đại học Holy Cross ở Massachusetts, người không tham gia nghiên cứu , cho biết: “Thật tuyệt khi việc thêm những kim loại này tạo ra một công cụ bền hơn . “Nghiên cứu này là một cái nhìn tốt về cách điều này xảy ra trên một loạt các sinh vật và nó có thể phổ biến hơn chúng ta nghĩ”.

Crofts cũng cho biết thêm, rất có thể những vật liệu sinh học nguyên tố nặng như vậy có thể truyền cảm hứng cho các kỹ sư tạo ra các sản phẩm mới, chẳng hạn như  điện thoại di động nhỏ hơn và các thiết bị y tế mạnh mẽ hơn.

Tốt hơn so với kỹ thuật điện tử sinh học

Tất nhiên, động vật đã tiến hóa theo một cách khác để tạo thành một vật liệu tự nhiên cứng. Được gọi là quá trình khoáng hóa sinh học, quá trình lan rộng này xảy ra khi các protein trong cơ thể động vật bao bọc xung quanh các tinh thể khoáng chất lớn, chẳng hạn như trong xương hoặc một số vỏ sò. Xương là một hỗn hợp mạnh mẽ của khoáng chất (chủ yếu là canxi cacbonat) và protein cung cấp cho bộ xương của động vật sự linh hoạt cần thiết, kéo dài và co bóp vượt xa những gì một trong hai vật liệu có thể tự làm được. (Tìm hiểu thêm về khoa học của xương.)

Nhưng quá trình khoáng hóa sinh học có giới hạn của nó: Hãy xem xét những chiếc vỏ sò, thứ có thể dễ dàng bị vỡ. Schofield, người đã nghiên cứu về hàm và móng vuốt của động vật không xương sống kể từ khi một con kiến ​​bò ngang qua sàn văn phòng của ông vào cuối những năm 1980, cho biết: “Tạo ra một thứ gì đó sắc bén giống như làm một con dao từ gạch”. 

Các động vật không xương sống không phải là câu trả lời cho nhiều loài động vật không xương sống, bởi vì chúng cần các bộ phận cơ thể sắc bén, chắc chắn có thể chịu được việc sử dụng liên tục. Ví dụ, một chiếc ngòi bị vỡ sẽ là bản án tử hình đối với một con bọ cạp. Vì vậy, họ đã tìm ra một cách khác, Schofield nói.

Một hỗn hợp mạnh mẽ của kim loại và protein

Đối với nghiên cứu mới nhất của mình, Schofield và các đồng nghiệp từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương và Bang Oregon đã kiểm tra các bộ phận cơ thể của kiến , nhện, bọ cạp, động vật thân mềm và một loại giun biển. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo các tàu thăm dò thu nhỏ để kiểm tra tính chất cơ học của các bộ phận này và phân tích chúng từng nguyên tử.

Họ phát hiện ra rằng các kim loại nặng, chẳng hạn như kẽm và mangan, được phân bố đều khắp các bộ phận cơ thể của động vật không xương sống, không giống như vật chất trong xương và các vi khuẩn sinh học khác. Cấu trúc nguyên tử này cho phép phần cơ thể sắc nét hơn và chịu nhiều hao mòn hơn so với khi các protein không có kim loại.

Theo tính toán của nhóm, vật liệu sinh học nguyên tố nặng có một lợi ích tiết kiệm chi phí khác: Một con kiến ​​sử dụng ít hơn 60% năng lượng để cắt xuyên qua lá so với khi nó không có cấu trúc nguyên tử này. (Đọc về loài kiến ​​Dracula, có thể cắn nhanh hơn 5.000 lần so với chớp mắt.) 

Schofield vẫn còn nhiều câu hỏi, chẳng hạn như liệu những vật liệu cứng rắn tự nhiên này có tiến hóa một lần hay nhiều lần riêng biệt giữa các nhóm động vật không xương sống khác nhau, từ giáp xác đến rết hay không.

Trong khi đó, phát hiện này có thể tạo ra tiềm năng mới cho các công cụ của con người, Crofts nói.

Ví dụ, các kỹ sư luôn tìm kiếm các chiến lược tốt hơn để tạo ra các vật thể nhỏ nhưng không dễ vỡ, chẳng hạn như điện thoại thông minh và các thiết bị y tế đeo được như máy bơm insulin.

Crofts nói, việc chế tạo các công cụ với sự sắp xếp nguyên tử giống nhau của protein và kim loại nặng có thể tạo ra các sản phẩm nhẹ, bền và chịu được việc xử lý hàng ngày - một ví dụ khác về cách tự nhiên biết rõ nhất.

Sưu tầm