Почему у муравьев и других мелких существ такие острые укусы? По словам ученых, 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 жестко укусить. Если вы домовладелец, возможно, вы также заметили, что муравьи, термиты 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 такими крепкими не должны быть. Челюсти (жвалы или мандибулы) 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, например, в панцирях омаров и крабов.
Одним из ярких примеров этого является то, что при включении восьми процентов цинка хитин становится достаточно твердым и достаточно крепким, чтобы создавать очень острые, тщательно детализированные структуры, такие как зубы муравья, чрезвычайно прочными.
Под руководством Роберта Шофилда (Robert Schofield) из Университета Орегона команда 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.
Челюсти муравьев обладают мощным укусом благодаря внедренным атомам цинка. Фото: Robert Schofield | University of Oregon
Чтобы добиться этого, команде нужно было изучить зубы муравьев в атомном масштабе, поэтому ученый-материаловед Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Арун Деварадж (Arun Devaraj) и доктор-стажер Сяоюэ Ван (Xiaoyue Wang) применили атомно-зондовую томографию. Это включает в себя взятие игольчатых образцов, собранных с помощью ионно-лучевого микроскопа, и воздействие на них лазерами или высоковольтными импульсами для испарения атомов с поверхности для получения 3D изображений и измерений химического состава в масштабе примерно одной десятой нанометра.
С помощью этой техники команда могла картографировать отдельные атомы на зубе муравья. Они обнаружили, что цинк был равномерно распределен в зубе, а не кластеризован в наноразмерные узелки, как они ожидали. Такое распределение позволяет зубам быть намного острее, поэтому муравей или другое существо может протыкать материалы, используя только 60% или меньшее силы, чем требовалось бы для материалов, подобных тем, что есть в человеческих зубах. Это не только делает такие структуры более эффективными, но также может объяснить, почему далекие родственные членистоногие, ракообразные, черви и другие существа развили челюсти или аналогичные инструменты.
«Инженеры также могут извлечь уроки из этого биологического трюка», - говорит 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 было опубликовано в журнале Scientific Reports.
