Cách nhện và những loài tí hon khác mở ra hy vọng về một loại chất liệu mới

Mèo Cọp

“This world is merciless.”
Thành viên thân thiết
Tham gia
25/11/2012
Bài viết
351
(kenhsinhvien.vn) Một nghiên cứu mới cho biết những nguyên tố như kẽm và đồng kết hợp với protein tự nhiên có thể tạo ra ngòi, vuốt và hàm bền chắc.

Một con nhện nhảy hoàng gia nuôi nhốt đang phô trương cặp nanh óng ánh. ẢNH CHỤP BỞI EMANUELE BIGGI, THƯ VIỆN ẢNH TỰ NHIÊN

Một con nhện nhảy hoàng gia nuôi nhốt đang phô trương cặp nanh óng ánh.
ẢNH CHỤP BỞI EMANUELE BIGGI, THƯ VIỆN ẢNH TỰ NHIÊN

Để bám được trên mình hươi nai, trước hết bọ ve phải chọc thủng một lớp da dày và lắm lông. Kiến xén lá dễ dàng ăn gặm những chiếc lá nhiệt đới dai cứng. Và bọ cạp dùng đuôi để chích nọc độc vào con mồi lớn hơn gấp vài lần chúng.

Những chuyện kỳ thú ấy từ lâu đã hấp dẫn nhà vật lý học Robert Schofield của Đại học Oregon. Làm thế nào những sinh vật nhỏ bé ấy tạo ra được sức mạnh quá cỡ như vậy?

Theo bài báo của ông được đăng trên tạp chí Scientific Reports, câu trả lời nằm ở chính cấu trúc nguyên tử trong công cụ của chúng.

Các nhà khoa học đã biết rằng hàm dưới, nanh và ngòi của một vài loài không xương sống chứa lượng lớn kim loại nặng, như kẽm, đồng và mangan – chiếm đến 20% khối lượng ở một số loài. Nhưng họ không biết làm cách nào những kim loại này lại có liên quan đến protein lâu bền vốn cũng được tìm thấy trong một số bộ phận cơ thể của những loài không xương sống này.

Bằng cách phân tích protein và kim loại nặng ở cấp độ phân tử, Schofield và đồng nghiệp đã khám phá ra rằng những nguyên tử kim loại đơn lẻ được dệt vào protein để tạo ra một chất liệu phức hợp bền vững và chắc khỏe, mà họ gọi là vật liệu sinh học kim loại nặng.

“Việc thêm những kim loại này vào để tạo ra công cụ bền vững hơn thật sự rất ngầu,” nhà sinh vật học Stephanie Crofts cho biết. “Nghiên cứu này đã cho thấy hiện tượng này xảy ra trên nhiều loài sinh vật như thế nào, và nó có thể phổ biến hơn ta tưởng.”

Crofts cho biết thêm, những vật liệu sinh học kim loại nặng như vậy có thể là nguồn cảm hứng cho các kỹ sư tạo ra sản phẩm mới, như điện thoại di động nhỏ hơn và những thiết bị y tế bền chắc hơn.

Tốt hơn khoáng chất sinh học

Tất nhiên, động vật đã tiến hóa theo cách khác để hình thành nên vật liệu tự nhiên cứng cáp. Được gọi là khoáng hóa sinh học, quá trình này xảy ra rộng rãi khi protein có trong cơ thể động vật bao lấy tinh thể khoáng chất lớn, như trong xương hoặc một số vỏ sò. Xương là một hỗn hợp khoáng chất chắc khỏe (hầu hết là canxi cacbonat) và protein cung cấp cho khung xương động vật độ linh hoạt cần thiết, co duỗi vượt xa khả năng mà mỗi vật liệu vốn có.

Nhưng khoáng hóa sinh học cũng có giới hạn: Vỏ sò rất dễ vỡ. “Tạo ra một thứ sắc nhọn bằng khoáng chất sinh học cũng giống như làm ra một con dao từ gạch,” Schofield nói, ông đã nghiên cứu về hàm và vuốt của động vật không xương sống kể từ lúc một con kiến bò ngang qua sàn văn phòng mình vào cuối những năm 1980, vẫn là văn phòng ông đang ngồi hiện giờ.


LOÀI KIẾN BẠC SAHARA NÀY LÀ LOÀI KIẾN DI CHUYỂN NHANH NHẤT TRÊN TRÁI ĐẤT

LOÀI KIẾN BẠC SAHARA NÀY LÀ LOÀI KIẾN DI CHUYỂN NHANH NHẤT TRÊN TRÁI ĐẤT

Khoáng chất sinh học không phải là câu trả lời cho nhiều loài không xương sống, vì chúng cần những bộ phận cơ thể sắc nhọn và cứng cáp có thể chịu được tần suất sử dụng liên tục. Chẳng hạn, một chiếc ngòi bị gãy sẽ là bản án tử hình đối với bọ cạp. Thế nên chúng tìm cách khác, Schofield nói.

Hỗn hợp kim loại và protein mạnh mẽ

Trong nghiên cứu mới nhất của mình, Schofield và đồng nghiệp đã kiểm tra các bộ phận cơ thể của kiến, nhện, bọ cạp, động vật thân mềm và một loài giun biển. Nhóm nghiên cứu tạo ra máy dò mini để kiểm tra tính chất cơ học của những phần cơ thể này và phẫu tích chúng đến từng nguyên tử.

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

Khoáng chất sinh học kim loại nặng có một ưu điểm tiết kiệm khác: Theo tính toán của nhóm nghiên cứu, kiến sử dụng ít hơn 60% năng lượng để xén lá so với khi không có cấu trúc nguyên tử này.

Schofiled vẫn còn nhiều câu hỏi, như liệu những vật liệu bền chắc tự nhiên này đã tiến hóa một lần hay nhiều lần riêng biệt giữa những nhóm động vật không xương sống khác nhau, từ giáp xác đến chân rết.

Dù vậy, khám phá này có thể tạo ra tiềm năng mới cho công cụ nhân tạo, Croft cho biết.

Ví dụ, kỹ sư luôn tìm kiếm sách lược tốt hơn để tạo ra vật thể nhỏ nhưng không dễ vỡ, như smartphone và thiết bị y tế mang theo bên mình như máy bơm insulin.

Chế tạo công cụ bằng trật tự protein và kim loại nặng tương tự có thể sản xuất ra những sản phẩm nhẹ, chắc, và bền để sử dụng hàng ngày, Crofts nói, lại một ví dụ khác nữa về việc thiên nhiên hiểu biết nhiều hơn.


Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo National Geographic)
 
×
Quay lại
Top