Ученые выяснили, что зубы муравьев в 100 раз крепче, чем у человека

Зубы и когти многих мелких животных частично содержат цинк, бром и марганец, что делает их острыми и устойчивыми к разрушениям, доказали ученые в новом исследовании, опубликованном 1 сентября в журнале Scientific Reports.

Многие мелкие животные обладают зубами, когтями и другими «инструментами» из материалов, которые содержат цинк, бром и марганец, достигая до 20% веса материала. Ученые назвали их «биоматериалы с тяжелыми элементами», и предположили, что они позволяют животным иметь острые, как скальпель, инструменты точной формы, устойчивые к разрушению, деформации и износу.

Ученые изучили зубы нижней челюсти муравья и обнаружили, что они представляют собой однородную смесь белков и цинка, с отдельными атомами цинка, прикрепленными примерно к четверти аминокислотных единиц, составляющих белки, образующие зубы. Напротив, человеческие зубы, состоят из относительно больших частей минералов кальция.

По данным исследователей, наличие в биоматериалах тяжелых элементов делает их лучше, чем кальцинированные материалы, формируя гладкие, точные по форме и чрезвычайно острые инструменты.

Чтобы изучить преимущества биоматериалов с тяжелыми элементами, ученые оценили силу, энергию и размер мышц, необходимые для резки инструментами из различных материалов. По сравнению с другими твердыми материалами, износостойкий цинковый материал у этих животных позволяет им прокалывать твердые вещества, используя лишь одну пятую часть усилия.

Предполагаемое преимущество еще больше по сравнению с кальцинированными материалами, которые, поскольку они не могут быть почти такими же острыми, как биоматериалы из тяжелых элементов, могут потребовать более чем в 100 раз большей силы.

Неудивительно, что материалы, из которых можно было бы делать острые инструменты, эволюционировали у мелких животных, отметили ученые. Клещу и волку нужно проколоть одну и ту же шкуру лося, но у волка гораздо более сильные мышцы. Клещ может компенсировать свои крошечные мышцы, используя более острые инструменты, которые фокусируют силу на небольших областях.

Но, как и острый кончик карандаша, более острые наконечники инструментов легче ломаются. Однако ученые обнаружили, что биоматериалы из тяжелых элементов также особенно прочны и устойчивы к повреждениям.

С эволюционной точки зрения эти материалы позволяют более мелким животным употреблять более жесткую пищу. Эти преимущества могут объяснить широкое использование биоматериалов с тяжелыми элементами в природе. Их используют большинство муравьев, многие другие насекомые, пауки и их родственники, морские черви, ракообразные и многие другие виды организмов.

Хотя исследования прояснили преимущества биоматериалов с тяжелыми элементами, ученые все еще не знают точно, как цинк и марганец затвердевают и защищают инструменты.

Одна из возможностей заключается в том, что небольшая доля цинка образует мостики между белками, и эти поперечные связи укрепляют материал, как поперечные балки укрепляют здание. Когда клык врезается во что-то твердое, эти цинковые поперечные связи могут сначала разорваться, поглощая энергию, чтобы сам клык не раскололся. Ученые предположили, что впоследствии избыток цинка в биоматериале быстро восстанавливает разрушенные цинк- гистидиновые поперечные связи между белками.

Потенциал самовосстановления этих материалов делает их еще более интересными, и следующим шагом ученых является проверка этой гипотезы. Исследование процесса самовосстановления или других особенностей биоматериалов из тяжелых элементов могут привести к созданию улучшенных материалов для таких вещей, как небольшие медицинские устройства.