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Sep. 21 2021

蜘蛛與其他「小野獸」尖牙利齒的祕方──重金屬

  • 一隻豢養的佛羅里達跳蛛(regal jumping spider )正炫耀著牠五彩斑斕的毒牙。 PHOTOGRAPH BY EMANUELE BIGGI, NATURE PICTURE LIBRARY

    一隻豢養的佛羅里達跳蛛(regal jumping spider )正炫耀著牠五彩斑斕的毒牙。 PHOTOGRAPH BY EMANUELE BIGGI, NATURE PICTURE LIBRARY

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新研究指出,這些生物在天然蛋白質裡混入了鋅、銅等元素,創造出相當耐用的螫針、爪子以及大顎。

蜱蟲為了緊緊咬附在鹿身上,得先刺穿厚厚的毛皮;切葉蟻可以輕易咬開堅韌的熱帶樹樹葉;而蠍子則能用尾巴將毒液注入比自己大上好幾倍的獵物體內。

如此超凡的能力長期以來吸引著奧勒岡大學的物理學家羅伯特.斯科菲爾德(Robert Schofield)──這些小小生物哪來這麼大的勁?

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根據斯科菲爾德新發表在《科學報告》(Scientific Reports)期刊上的論文,答案就在牠們工具的原子結構上。

科學家早已知道某些無脊椎動物的大顎、尖牙以及螫針中含有鋅、銅、錳等大量重金屬──在部分物種身上,重金屬甚至能占到20%的重量。然而,這些金屬成分與同樣存在些部位裡的堅韌蛋白質到底有什麼關聯,卻始終成謎。

斯科菲爾德與同事在分子尺度下分析蛋白質與重金屬後,發現這些蛋白質內被織入一顆一顆金屬原子,創造出了一種既強韌又耐用的複合材料,他們將其稱之為「重元素生物材料」(heavy element biomaterials)。

「加入這些金屬來讓工具更加耐用,真的很酷。」並未參與此項研究的麻州聖十字學院生物學家斯蒂芬妮.克羅夫茨(Stephanie Crofts)說:「這篇研究說明了許多生物都有這項能力,而且可能比想像中還要常見。」

克羅夫茨補充說,這些「重元素生物材料」或許能啟發工程師創造更小巧的手機和更堅固的醫療設備等產品。

勝過生物礦物

想當然爾,動物早就演化出其他方法來製造堅硬的天然材料。這種被廣泛應用的方法稱為「生物礦化」(biomineralization),也就是當動物體內的蛋白質包覆住大型礦物結晶,形成像是骨頭或是某些貝殼等材質。骨頭本身是一種礦物(主要是碳酸鈣)與蛋白質的強大組合,能提供動物作為骨骼所必需的彈性、延展性與耐壓性,且遠遠超出這兩種材質個別所能企及的程度。

但生物礦化作用有其極限──想想貝殼有多麼易碎吧?斯科菲爾德說:「想用生物礦物來打造尖銳的東西,就好比是用磚頭來做把刀。」自有隻螞蟻在1980年代末,緩緩爬過他辦公室的地板以來,斯科菲爾德一直在同一間辦公室研究無脊椎動物的大顎與爪子。

對於許多需要尖銳、堅固又耐用構造的無脊椎動物來說,「生物礦物」顯然不是牠們要的答案。斯科菲爾德表示,好比對一隻蠍子而言,一根破碎的螫針就等同一份死刑判決,也難怪牠們需另闢蹊徑了。

金屬與蛋白的強大複合材料

在最新研究中,斯科菲爾德和來自西北太平洋國家實驗室 (Pacific Northwest National Laboratory)以及奧勒岡州的同事,檢查了幾種螞蟻、蜘蛛、蠍子、軟體動物與剛毛蟲的身體結構。研究團隊打造了微型探針來檢測這些部位的力學性質,並以原子級的精度剖析觀察。

研究團隊發現,在這些無脊椎動物的身體部位,均勻遍佈著鋅和錳等重金屬,這與骨骼或是其他生物礦物有所不同;含有金屬原子結構的蛋白質部位,也更加鋒利、耐磨損。

重元素生物材料還有項能「節流」的優點:根據研究團隊計算,切葉蟻憑著這樣的金屬原子結構,在切割樹樹葉時可省下約60%的能量消耗。

斯科菲爾德的疑惑還沒有結束,比如從甲殼類到蜈蚣等不同類群的無脊椎動物間,這樣的天然堅韌材料是經過一次還是多次獨立演化而來?

克羅夫茨表示,這項發現也同時創造出人類工具新的可能。

舉例來說,工程師一直在想怎麼樣才能打造出又小又牢靠的東西,像是智慧型手機,以及穿戴式醫療裝置(如胰島素泵)。

克羅夫茨說,如法炮製蛋白質與重金屬原子的排列方式來打造工具,就能讓產品更輕巧、堅固,還能應付日常使用,這又是一個「天然的尚好」的例子啦!

 

延伸閱讀:臺灣野柳、八斗子發現2000萬年前巨大掠食性海蟲巢穴遺跡 / 切葉蟻身披昆蟲中前所未見的礦物結晶盔甲!

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