Загадка гибкой раковины

Международная исследовательская группа с участием Института Пауля Шеррера PSI расшифровала, почему защитный покров брахиоподы Discinisca tenuis становится чрезвычайно мягким в воде и снова твердеет на воздухе. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Брахиопода Discinisca tenuis обитает у западного побережья Африки. Её минерализованная раковина защищает её от вредных воздействий окружающей среды. Погружение раковины в воду приводит к структурному изменению материала: плоская твёрдая оболочка становится настолько гибкой, что её можно даже сложить, не сломав. С помощью источника синхротронного излучения Swiss Light Source SLS исследователи выяснили, как именно происходит это превращение.

Феномен был случайно обнаружен несколько лет назад материаловедом Фабио Нудельманом из Школы химии Эдинбургского университета. Когда он хотел помыть твёрдый объект, он внезапно стал мягким и гибким при контакте с водой. Раковина впитала жидкость и тем самым изменила свою структуру. Процесс был обратимым: когда раковина высыхала, она снова становилась твёрдой и хрупкой.

Гибридный материал с особым свойством

Так называемая крио-томография, выполненная на SLS, «открыла дверь, чтобы раскрыть секрет». С помощью этой методики материал исследовали как под микроскопом сверхвысокого разрешения при крайне низких температурах. «При комнатной температуре это было бы невозможно, поскольку высокоэнергетическое рентгеновское излучение немедленно изменило бы чувствительную структуру раковины».

Раковина брахиоподы толщиной не более полмиллиметра состоит из гибридного материала: в основном неорганического минерала, в который встроены органические полимеры из белков и сахаров. Минерал, составляющий основную часть раковины, представляет собой разновидность фторапатита — похожего на материал, из которого состоит эмаль наших зубов.

Крошечные нанокристаллы этого материала расположены слоями. Нудельман сравнивает это с кирпичными стенами: «В этой аналогии кирпичи — это нанокристаллы, а раствор между кирпичами состоит из органических молекул, таких как хитин и белки». Этот «раствор» может поглощать большое количество воды, вызывая его набухание. Из-за хранения воды он меняет свою структуру: становится мягким, и «кирпичи» становятся подвижными относительно друг друга. «Вода действует как смазка между отдельными нанокристаллами. Кристаллы могут скользить друг относительно друга». Из-за этого движения раковина становится гибкой. Исследователи обнаружили в раковине сеть пор, которая особенно эффективно направляла воду внутрь и быстро распределяла её по всему материалу.

Эволюционное преимущество

Discinisca tenuis живёт большими скоплениями в приливных зонах побережья, где в зависимости от прилива животные подвергаются воздействию сильных волн или спокойных вод. Исследователи предполагают, что, вероятно, полезно, если животные могут быстро адаптировать мягкость или твёрдость своей раковины к соответствующей ситуации: «Это может предотвратить повреждение раковины и, таким образом, быть ключом к выживанию животных». Феномен может быть даже более распространённым, чем предполагалось: «Мы не знаем, сколько ещё видов животных могут обладать таким свойством».

Помимо биологии и эволюции, новые полученные данные также представляют интерес для материаловедения: разработка твёрдого, хрупкого материала, жёсткость которого можно контролировать, может обещать много применений. Например, спортивная одежда или шлемы могли бы гибко адаптироваться к движениям и всегда обеспечивать необходимую защиту в зависимости от удара. Использование этого явления также может оказаться полезным при разработке материалов для замены костей.