Наконечники клешней краба покрыты сверхпрочным материалом. Его секрет не только в структуре, но и в атомах брома, встроенных в органические молекулы. По мнению авторов, бромированная защита позволила мелким животным победить конкурентов в борьбе за выживание.
Ученые из Орегонского университета (University of Oregon) заинтересовались наконечниками на кончиках клешней полосатого берегового краба Pachygrapsus crassipes -- это обычный обитатель Западного побережья Северной Америки. Темный блестящий материал, покрывающий кончики клешней краба, сильно отличается от материала панциря.
Зачем крабу пинцет
Биологи говорят, что крабы, у которых есть такие наконечники, используют их для тонких манипуляций: они сдвигают кончики клешней, чтобы захватывать и отщипывать ими кусочки добычи, как пинцетом. Для более грубых движений, например для нападения на добычу и защиты, они не годятся.
В команду исследователей крабьих наконечников входили физики, биофизики, биохимики и химики. Роберт Шофилд (Robert Schofield) с физического факультета Орегонского университета и его коллеги устроили материалу тщательную проверку механических свойств. Они оценили их абразивную устойчивость, хрупкость, твердость, эластичность, коэффициент трения. Рассмотрели материал в сканирующем и трансмиссионном электронном микроскопе, подвергли рентгеновской спектроскопии.
Бром придает большую прочность, чем кальций
В отличие от остальной части крабьего панциря материал наконечников не кальцинирован. Зато он содержит большое количество брома -- 1% от сухого веса. По абразивной устойчивости и твердости бромированная кутикула уступала кальцинированной, но оказалась более эластичной и, самое главное, намного более устойчивой к разлому. Для ее разлома требовалось в девять раз больше энергии, чем для разлома кальцинированного материала.
Наноструктура биоматериала
Такие свойства до некоторой степени объясняются внутренней структурой материала. Он состоит из пластин размером 7 нм и относительно массивных трубочек размером 5 мкм. Пластины и трубочки ориентированы перпендикулярно к поверхности, так что направление силы удара приходится вдоль этих структур.
Рентгеновская спектроскопия показала, что атомы брома присоединены к фенильным кольцам аминокислоты тирозин. Содержание тирозина в материале наконечников в десять раз выше, чем в панцире краба. Ученые считают, что наконечники клешней принадлежат к новому классу биоматериалов, содержащих в своей органической структуре тяжелые элементы.
Пока не совсем ясно, каково значение атомов брома в устойчивости материала к разлому. По предположению ученых, его роль состоит в том, чтобы гасить молекулярный резонанс и таким способом поглощать энергию от удара.
Защита для маленьких
Ранее Роберт Шофилд находил подобный бромированный материал в разного вида челюстях, жалах и других орудиях насекомых. Вообще он подчеркивает, что устойчивость к разлому гораздо важнее для мелких организмов, чем для крупных. Возможно, именно использование таких материалов позволило маленьким животным прожить среди врагов миллионы лет. Поэтому если человеку удастся позаимствовать бромированный биоматериал у краба, то, скорее всего, свое применение эта структура найдет в микро- и нанотехнологиях.
Статья опубликована в журнале Journal of Structural Biology.
