蜘蛛与其他“小野兽”尖牙利齿的秘方——重金属 _蜘蛛

蜘蛛与其他“小野兽”尖牙利齿的秘方——重金属
（）据美国国家地理（撰文：CARRIE ARNOLD 编译：曾柏谚）：蜘蛛与其他「小野兽」尖牙利齿的秘方──重金属。新研究指出，这些生物在天然蛋白质里混入了锌、铜等元素，创造出相当耐用的螫针、爪子以及大颚。
蜱虫为了紧紧咬附在鹿身上，得先刺穿厚厚的毛皮；切叶蚁可以轻易咬开坚韧的热带树树叶；而蝎子则能用尾巴将毒液注入比自己大上好几倍的猎物体内。
这些超凡能力长期以来吸引着奥勒冈大学的物理学家罗伯特．斯科菲尔德（Robert Schofield）──这些小小生物哪来这么大的劲？
根据斯科菲尔德新发表在《科学报告》（Scientific Reports）期刊上的论文，答案就在它们工具的原子结构上。
科学家早已知道某些无脊椎动物的大颚、尖牙以及螫针中含有锌、铜、锰等大量重金属──在部分物种身上，重金属甚至能占到20%的重量。然而，这些金属与同样存在于些部位中的坚韧蛋白质到底有什么关联，却始终成谜。
斯科菲尔德与同事在分子尺度下分析蛋白质与重金属后，发现这些蛋白质内被织入一颗一颗金属原子，创造出了一种既强韧又耐用的复合材料，他们将其称之为「重元素生物材料」（heavy element biomaterials）。
「加入这些金属来让工具更加耐用，真的很酷。」并未参与此项研究的麻州圣十字学院生物学家斯蒂芬妮．克罗夫茨（Stephanie Crofts）说：「这篇研究说明了许多生物都有这项能力，而且可能比想像中还要常见。」
克罗夫茨补充说，这些「重元素生物材料」或许能启发工程师创造更小的手机和更坚固的医疗设备等产品。
胜过生物矿物
想当然尔，动物早就演化出其他方法来制造坚硬的天然材料。这种被广泛应用的方法称为「生物矿化」（biomineralization），也就是当动物体内的蛋白质包覆住大型矿物结晶，形成像是骨头或是某些贝壳等材质。骨头是矿物（主要是碳酸钙）与蛋白质的强大组合，它能提供动物作为骨骼所必需的弹性、延展性与耐压性，且远远超出这两种材质个别所能企及的程度。
但生物矿化作用有其极限──想想贝壳有多么易碎吧？斯科菲尔德说：「想用生物矿物来打造尖锐的东西，就好比是用砖头来做把刀。」自1980年代末有只蚂蚁缓缓爬过他办公室的地板以来，斯科菲尔德一直在同一间办公室研究无脊椎动物的大颚与爪子。
对于许多需要尖锐、坚固又耐用构造的无脊椎动物来说，「生物矿物」显然不是它们要的答案。斯科菲尔德表示，好比对一只蝎子而言，一根破碎的螫针就等同一份死刑判决，也难怪它们另辟蹊径了。
金属与蛋白的强大复合材料
在最新研究中，斯科菲尔德和来自西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）以及奥勒冈州的同事，检查了几种蚂蚁、蜘蛛、蝎子、软体动物与刚毛虫的身体结构。研究团队打造了微型探针来检测这些部位的力学性质，并以原子级的精度剖析观察。
研究团队发现，在这些无脊椎动物的身体部位，均匀遍布着锌和锰等重金属，这与骨骼或是其他生物矿物有所不同；含有金属原子结构的蛋白质部位，也更加锋利、耐磨损。重元素生物材料还有项能「节流」的优点：根据研究团队计算，切叶蚁凭着这样的金属原子结构，在切割树树叶时可省下约60%的能量消耗。
斯科菲尔德的疑惑还没有结束，比如从甲壳类到蜈蚣等不同类群的无脊椎动物间，这样的天然坚韧材料是经过一次还是多次独立演化而来？
克罗夫茨表示，这项发现也同时创造出人类工具新的可能。
举例来说，工程师一直在想怎么样才能打造出又小又牢靠的东西，像是智慧型手机，以及穿戴式医疗装置（如胰岛素泵）。
克罗夫茨说，如法炮制蛋白质与重金属原子的排列方式来打造工具，就能让产品更轻巧、坚固，还能应付日常使用，这又是一个「天然的尚好」的例子啦！