Почему у муравьев и других мелких существ такие болезненные укусы? По словам ученых из Университета Орегона и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), ответ заключается в их способности равномерно добавлять атомы цинка в свои зубы.
Если вы когда-нибудь сталкивались с муравьями, вы, вероятно, замечали, что они могут довольно больно укусить. Если у вас есть дом или дача, возможно, вы также заметили, что муравьи и другие мелкие членистоногие обладают замечательной способностью жевать древесину и удивительное разнообразие других материалов.
Это странно, потому что челюсти и зубы у таких существ крепкие, но они не должны быть такими крепкими. Челюсти насекомых состоят из комбинации белков и полисахаридного полимера хитина, который сшивается водородными связями с образованием хитиновых микрофибрилл.
Хитин твердый, и при смешивании с другими материалами, такими как карбонат кальция, образует еще более твердые материалы, как например, в панцирях омаров и крабов.
Одним из показательных примеров этого является то, что при включении восьми процентов цинка хитин становится достаточно твердым и прочным, чтобы сделать очень острые, тщательно проработанные структуры, такие как зубы муравья, чрезвычайно прочными.
Под руководством Роберта Шофилда из Университета Орегона группа биофизиков измеряла твердость, эластичность, энергию разрушения, сопротивление истиранию и ударопрочность зубов муравьев и других микроскопических инструментов животных, чтобы узнать больше о том, как они работают и как имитировать их в большем масштабе.
Чтобы добиться этого, команде ученых нужно было изучить зубы муравьев в атомном масштабе, поэтому они применили томографию с атомным зондом. Она включает в себя взятие игольчатых образцов, собранных с помощью ионно-лучевого микроскопа, и воздействие на них лазером или высоковольтными импульсами для испарения атомов с поверхности для получения трехмерных изображений и измерений химического состава в масштабе примерно одной десятой нанометра.
Смотрите также: Мозазавр Ксеноден имел особые зубы, похожие на акульиС помощью этой техники ученые смогли нанести на карту отдельные атомы на зубе муравья. Они обнаружили, что цинк был равномерно распределен в зубе, а не собирался в наноразмерные узелки, как они ожидали.
Такое распределение позволяет зубам быть намного острее, поэтому муравей может прокусывать материалы, используя менее 60 процентов силы, чем потребовалось бы для материалов, подобных тем, которые находятся в зубах человека. Это не только делает такие структуры более эффективными, но также может объяснить, почему у отдаленно родственных членистоногих, ракообразных, червей и других существ развились нижние челюсти или аналогичные инструменты.
«Человеческие инженеры также могут извлечь уроки из этого биологического трюка, — говорит Роберт Шофилд. — Например, твердость зубов муравьев увеличивается от твердости пластика до твердости алюминия, когда добавляется цинк. Хотя существуют гораздо более твердые инженерные материалы, они часто более хрупкие».
Исследование опубликовано в Scientific Reports.