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软体动物石鳖长最坚硬牙齿 成分竟为罕见磁铁矿

http://www.kexue.com 2013-10-12 10:19:48 凤凰科技  发表评论


石鳖的牙齿

  生活在墨西哥湾和西北大西洋的石鳖(Chaetopleura apiculata)——潜行捕食的海洋软体动物已经在海洋里生活了4亿多年,它们利用自己闪闪发光的黑色金属牙齿大嚼藻类覆盖的岩石。石鳖长有单一但宽阔的肌肉脚,拥有八个板块组成的壳,有的物种能够活到20岁左右。

  然而,让科学家感兴趣的是它们的牙齿。石鳖的牙齿如金刚狼的艾德曼合金骨骼般坚硬,只不过它是真实存在的,后者是由磁铁矿组成的,这是由活有机体组成的最坚硬的材料。美国伊利诺州埃文斯顿西北大学的生物工程师莱尔·戈登(Lyle Gordon)进一步研究了这些软体动物是如何形成这些坚硬的牙齿。

  令人惊叹的过程

  戈登的研究小组正在实验室里合成超级坚硬的材料,他们曾研究石鳖长达数年。利用诸如磁铁矿这样的物质——一种用于电子和医学设备的氧化铁——要求超高温和高压环境,以及强酸或者基准条件。

  “然而,这些几百万年历史的动物能够在良性的海洋环境里,利用它们吞食的藻类里的铁产生氧化铁,这是个非常了不起的过程。”戈登说道。

  戈登和同事利用原子探测器研究Chaetopleura apiculata的牙齿,后者是手指甲大小的软体动物。探测器每次从物质里抽取一个带电原子,这使得科学家能够确定物质里原子的位置和化学名称。这项技术一般被用于研究金属,但戈登怀疑将探测器用于生物材料可能并没有太大差异。利用原子探测器,戈登和他的研究小组实现了前所未有的、纳米级别的一瞥软体动物牙齿的内部结构。

  意义深远的启示

  “我们发现牙齿内部有蛋白质和糖类,软体动物利用它们制造氧化铁。”戈登说道。在牙齿中心的水凝胶里,纤维碳水化合物纵横交错形成了一个脚手架,后者约束了带正电的离子,例如镁和钠。戈登怀疑这些粒子会与收集铁原子的带负电的蛋白质相结合,从而提供生长出牙齿的磁铁矿壳的细节模板。

  软体动物的舌头上方有上百颗牙齿,最古老的位于尖端,最年轻的牙齿则在最远处,每一天都会向前推动一点,就像一个传送带。戈登的原子探测器方法非常强大,美国哈佛大学的生物工程师大卫·贝尔(David Bell)这样说道,因为它能追踪牙齿形成的完整序时记录。“利用原子探测器X线断层摄影术来分析牙齿——这是前所未见的方法,其中的启示意义深远。”

  革命性的制造

  尽管磁铁矿的制造成本相对低廉,但其它坚硬的无机物,例如碳化硅和钻石则没有这么简单。浇注这样的材料成型并达到这种牙齿残余物的精密程度是个遥远的目标。戈登表示,软体动物或能够提供实现这一目标的线索。

  贝尔表示,有关软体动物生物学还有很多需要继续研究,包括理解编码牙齿形成的蛋白质的基因,蛋白质本身的结构等。利用这些知识,软体动物牙齿形成模型的应用可能非常深远。“可能有朝一日,我们能够约束软体动物模型,并研发先进技术在实验室合成坚硬的材料,”贝尔说道。“这可能是产生新材料的革命性方式。”

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