В традиционной игре «20 вопросов» обычным началом является вопрос: «Это животное, растение или минерал?». Однако для древнего морского червя Perinereis cultrifera (который продолжает существовать и в наши дни) ответ может оказаться неоднозначным. Как и у других хищных щетинкочелюстных, у него Perinereis cultrifera присутствуют челюсти, сформированные из структурных белков и ионов, которые служат для захвата добычи, ее дробления и укусов. Необычный состав и характеристики этих челюстей подтолкнули ученых к введению нового термина – биометаллы. Это перспективное направление в области биофизики.

Понятие «биометалл» отличается от ранее используемых в научной литературе определений, таких как «металлоподобные биоматериалы» или «биоматериалы с металлоподобными свойствами», которые применялись для описания биоматериалов, демонстрирующих проводимость или прочность, сопоставимую с металлическими характеристиками. Биометаллы можно классифицировать по трем критериям: твердость, механические свойства при деформации и структура, сочетающая белковые компоненты с ионами.

В журнале Biophysics ReviewsСпециалисты из Венского технического университета и Венского университета провели исследование опубликовали результаты изучения металлических свойств морского червя.

Исследователи начали с изученияпрочности с использованием метода наноиндентирования – процедуры, в ходе которой формируются микроскопические повреждения в структуре материала. Также были проведены химический анализ и визуализация образцов. Подтвердив выводы предыдущих работ, исследователи установили, что концентрация металлических ионов в области кончиков челюстей значительно выше, чем в центральной части, что обуславливает повышенную твердость.

Далее ученые изучили структуру челюсти червя, создавая на ней углубления различной глубины. К их удивлению, было зафиксировано явление, свойственное таким металлам, как медь или серебро, и известное как эффект размера при наноиндентировании по Никсу – Гао: чем меньше размер участка челюсти червя, тем сложнее создать в нем углубление из-за более значительных изменений деформации на микроуровне. Это способствует укреплению связи между трещинами в атомной структуре и является характерной особенностью эффекта размера.

Тем не менее, биометаллы сохраняют свою уникальность с точки зрения механических характеристик. «Челюсти щетинкочелюстных червей также демонстрируют зависимость эластичности от размера, что является отличительной чертой биометаллов по сравнению с обычными кристаллическими металлами, например медью или серебром», – отметил один из авторов исследования Кристиан Хельмих.

В заключение, ученые смогли дать теоретическое объяснение влиянию размера на эластичность посредством математического моделирования процессов, протекающих на атомном уровне. Хельмих подчеркнул, что это лишь часть более масштабной работы: «Мы намерены расширить экспериментальную базу данных, изучая другие виды для уточнения теоретической концепции и проведения специализированных расчетов, а также — что представляется наиболее увлекательным – исследовать взаимосвязь между генетическими изменениями и возможностями создания новых материалов», — отметил он. — Вся эта работа выполняется с искренним восхищением красотой, изяществом и тонкостью, которые нам открывает природа».