Равномерно распределенные металлические ионы в жвалах насекомых позволяют прилагать меньше усилий при кусании, чем зубная эмаль, металлы в которой образуют отдельные кластеры.
Несмотря на устрашающую остроту, мандибулы муравьев могут служить весьма тонким рабочим инструментом / © SShattuck, Wikimedia Commons
Многие не понаслышке знакомы с мощью челюстей насекомых — мандибул, которые служат многим из них для разгрызания пищи, защиты и нападения. На переднем крае мандибул часто располагаются дополнительные утолщения и зубцы. Эти структуры образованы сочетанием белковых и углеводных полимеров с обильным включением металлов: цинка, а также марганца, меди, железа. Они придают мандибулам прочность и остроту, прекрасно дополняя невероятную скорость, с которой многие насекомые способны смыкать свои челюсти.
Мандибулы муравьев состоят из цинка на целых восемь процентов, и логично было бы предположить, что цинк складывается в наноразмерные кластеры, как это происходит, например, в костях или эмали человеческих зубов. Однако новая работа ученых из Орегонского университета показала, что их структура устроена совершенно иначе. Об этом Роберт Шофилд (Robert Schofield) и его коллеги пишут в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.
Чтобы установить атомарную структуру муравьиных мандибул, биологи прибегли к помощи материаловедов из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США для проведения атомно-зондовой томографии. Этот метод подразумевает, что от образца отделяется тонкий кончик и используется в качестве острия, на которое подается высокое напряжение. Срывающиеся ионы регистрируются детектором, позволяя реконструировать структуру исходного образца с атомарной точностью.
Томография показала, что ионы цинка в мандибулах муравьев не образуют отдельные кластеры, а распределены практически равномерно и накрепко связаны с аминокислотными остатками соседних белков. Смоделировав такую структуру, ученые выяснили, что она позволяет поддерживать исключительно точную форму, ровные поверхности и острые режущие кромки жвал. По оценкам, она позволяет прикладывать почти на две трети меньше усилий для разгрызания кусочков пищи, чем структура, организованная так же, как зубная эмаль.
«Инженеры могли бы использовать этот прием из биологии, — говорит профессор Шофилд. — При внедрении цинка твердость зубцов муравьев вырастает примерно от уровня пластика вплоть до алюминия. Конечно, существуют и более твердые материалы, но зато они намного хрупче».
