研究人员发现,由于蚂蚁、蝎子和螃蟹的牙齿、爪子和刺上的重金属和卤素原子的排列,它们能够产生强大的叮咬和刺痛。

大型动物使用矿化冲击工具(如鹿角或牙齿),而较小的动物需要提供相对于它们的体型更大的能量,因此它们使用重元素生物材料(HEBs)来切割。这些富含蛋白质的结构含有无机成分.尽管矿化的工具更坚固,HEBs有更好的耐磨性,使动物的工具保持锋利的时间更长。

“这是一种有利的权衡,”解释道赫伯特·韦特他是美国加州大学圣巴巴拉分校的生物分子材料研究员,他没有参与这项研究。“每个木匠和机械师都知道,锋利的工具需要更少的能量来切割。矿化工具适用于粗犷的工作,如破碎和夯实;相比之下,heb用于切割和刺穿。”

现在,由罗伯特·斯科菲尔德来自俄勒冈大学和美国太平洋西北国家实验室的研究人员仔细研究了蠕虫、切叶蚁、蜘蛛、蝎子、鲑鱼和螃蟹是如何使用HEBs的。研究人员从超市的冷冻鱼、邮购的蜜蜂和狼蛛中收集样本,并从危地马拉和特立尼达的丛林中收集切叶蚁的样本,然后进行了一系列机械测试。他们发现HEBs减少了矿化工具所需的力、能量和肌肉的60%左右。这使得小动物能够提供比它们体型更强大的打击。

除了生物物理学,该团队还使用原子探针断层扫描技术创建了切叶蚁下颌牙齿的3D纳米级图像。锌不是像矿化工具中那样聚集在小的金属沉积物中,而是均匀地分布在牙齿上,大约一半结合在含锌的蛋白质阳离子上,14%是游离的有机锌阳离子,剩下的是单独的锌原子。研究人员认为,这种均匀的分布使蚂蚁能够进化出比生物矿化更锋利、更精确的工具。

不同无脊椎动物工具的图像在元素地图下,显示锌和锰丰富的地区

来源:©Schofield等人,2021年自然科学报告

高能离子微探针元素图揭示了富含锌(红色)和锰(橙色)的区域

该研究还有助于确定卤素在生物材料中的可能作用。在调查蟹爪时,研究小组在蟹爪尖端检测到高浓度的溴。尽管爪子的其余部分比溴浓度高的部分坚硬3倍,但其尖端的抗骨折性是其他部分的9倍,坚硬程度是其他部分的1.5倍。Waite认为,这代表了“硬度的显著提高,而断裂倾向却没有相应的增加”。

虽然目前还没有明确的解释,韦特补充说,“这听起来越来越像一种将软硬钢结合起来,制造出锋利而坚韧的武士刀边缘的艺术”,以保持蟹爪的锋利和弹性。