به گزارش ایسنا، کرم دریایی با نام علمی «Perinereis cultrifera» جانداری باستانی است که هنوز هم در دریاها زندگی میکند. این جانور در گروه کرمهای حلقوی پُرمو و شکارچی قرار دارد و برای خوردن، خردکردن یا گازگرفتن طعمه از آروارههای خود استفاده میکند. آرواره این کرم برخلاف بسیاری از ابزارهای سخت ساختهشده به دست انسان، از فلز خالص یا ساختارهای متداول معدنی تشکیل نشده است. اجزای اصلی آن پروتئینهای ساختاری و یونها هستند. یونها، اتمها یا مولکولهایی با بار الکتریکیاند که حضور و چگونگی پراکندگی آنها میتواند ویژگیهای یک ماده، از جمله سختی و مقاومت آن را تغییر دهد. ترکیب خاص این مواد به کرم امکان میدهد آروارهای کارآمد برای تغذیه و شکار داشته باشد.
شناخت چنین ساختارهایی برای علم مواد و زیستفیزیک اهمیت دارد؛ زیرا برخی مواد طبیعی، بدون آنکه واقعاً فلز باشند، خصوصیاتی شبیه فلزات نشان میدهند. در نوشتههای علمی، برای معرفی این مواد از عبارتهایی مانند «مواد زیستی فلزمانند» یا «مواد زیستی دارای خواص فلزمانند» استفاده شده است. این توصیفها معمولاً به موادی اشاره دارند که رسانایی یا استحکام آنها به فلزات شباهت دارد. با این حال، اصطلاح تازهتر «زیستفلز» دامنه دقیقتری دارد و چنین موادی را بر پایه سه ویژگی دستهبندی میکند: میزان سختی، چگونگی تغییر شکل و کرنش، و ساختار حاصل از ارتباط یونها با پروتئینها. کرنش به زبان ساده، میزان تغییر شکل یک ماده در اثر واردشدن نیرو است.
پژوهشگرانی از دانشگاه فناوری وین، موسوم به TU Wien، و دانشگاه وین در اتریش پژوهشی را برای بررسی ویژگیهای فلزمانند آرواره این کرم دریایی انجام دادند. هدف آنها این بود که با مطالعه سختی، رفتار مکانیکی و ساختار آرواره، مفهوم نوظهور زیستفلزها را روشنتر و تعریف این گروه از مواد طبیعی را دقیقتر کنند. این پژوهش به جای آنکه صرفاً آرواره کرم را مادهای سخت بنامد، بررسی کرد که آیا رفتار آن در مقیاسهای بسیار کوچک به رفتار فلزاتی مانند مس و نقره شباهت دارد و در چه زمینههایی از فلزهای معمولی متفاوت است.
محققان در آغاز، سختی آرواره را با روشی به نام «فرورفتگی نانومقیاس» یا نانوایندنتیشن بررسی کردند. در این روش، فرورفتگیهایی بسیار کوچک روی سطح ماده ایجاد میشود تا میزان مقاومت آن در برابر فشار و تغییر شکل اندازهگیری شود. آنها این آزمایش را با تحلیل شیمیایی و تصویربرداری همراه کردند تا هم ترکیب بخشهای مختلف آرواره و هم تفاوتهای ساختاری آن را بسنجند. سپس نوک و مرکز آرواره را با یکدیگر مقایسه کردند. در مرحله بعد، فرورفتگیهایی با عمقهای متفاوت روی آرواره ایجاد شد تا مشخص شود اندازه ناحیه تحت فشار چه تأثیری بر سختی و کشسانی ماده دارد. پژوهشگران همچنین برای توضیح رفتار کشسان آرواره در مقیاسهای مختلف، از مدلسازی ریاضی فرایندهایی استفاده کردند که در سطح اتمی اتفاق میافتد.
نتایج تحلیل شیمیایی و آزمایش سختی، مطالعات پیشین را تأیید کرد. غلظت یونهای فلزی در نوک آرواره بیشتر از بخش مرکزی بود و این تفاوت احتمالاً باعث سختترشدن نوک آرواره میشود. چنین آرایشی از نظر کارکردی قابل توجه است، زیرا نوک آرواره هنگام گازگرفتن، خوردن یا خردکردن طعمه مستقیماً با آن تماس پیدا میکند و باید فشار بیشتری را تحمل کند. بنابراین، طبیعت بدون ساختن تمام آرواره از یک ماده بسیار سخت، یونهای فلزی را بیشتر در بخشی متمرکز کرده است که به مقاومت بالاتری نیاز دارد.
آزمایشها همچنین پدیدهای را آشکار کردند که در فلزاتی مانند مس و نقره دیده میشود و «اثر اندازه در فرورفتگی نانومقیاس نیکس-گائو» نام دارد. به بیان ساده، هرچه ناحیه آزمایششده در آرواره کوچکتر بود، ایجاد فرورفتگی در آن دشوارتر میشد. علت این رفتار به تغییرات شدیدتر کرنش در فضای کوچک و افزایش درهمقفلشدن شکستها یا ناهماهنگیهای ساختار اتمی مربوط است. با این حال، آرواره کرم فقط از نظر سختی رفتاری وابسته به اندازه نداشت؛ کشسانی آن نیز با اندازه تغییر میکرد. به گفته محققان، همین کشسانی وابسته به اندازه، زیستفلزها را از فلزات بلوری معمول مانند مس و نقره متمایز میکند.
این یافتهها نشان میدهند شباهت یک ماده طبیعی به فلز تنها به سختی یا استحکام زیاد محدود نمیشود. نحوه واکنش آن به نیرو در ابعاد گوناگون نیز میتواند برای تشخیص و دستهبندی زیستفلزها مهم باشد. آرواره این کرم از یک سو برخی نشانههای شناختهشده فلزات را دارد و از سوی دیگر، ویژگی مکانیکی ویژهای نشان میدهد که در فلزات بلوری متداول دیده نمیشود. در نتیجه، زیستفلز را میتوان گروهی مستقل از مواد دانست که ویژگیهای آن از همکاری پیچیده پروتئینها و یونها پدید میآید، نه از ساختار یک فلز خالص.
مدلسازی ریاضی پژوهشگران نیز تلاشی برای پیوند دادن رفتار قابل اندازهگیری آرواره با رخدادهای سطح اتمی بود. چنین توضیحی میتواند به شکلگیری یک چارچوب نظری برای زیستفلزها کمک کند. با این حال، محققان تأکید دارند که این حوزه هنوز در آغاز راه است. آنها قصد دارند گونههای بیشتری را بررسی کنند، اطلاعات آزمایشی گستردهتری به دست آورند و با محاسبات اختصاصی، مفهوم نظری زیستفلز را اصلاح کنند. یکی دیگر از مسیرهای مورد توجه آنها، بررسی ارتباط میان مداخلههای ژنتیکی و محدوده مواد قابل تولید در جانداران است؛ یعنی اینکه تغییرات ژنتیکی چگونه ممکن است طراحی و ویژگیهای این مواد طبیعی را دگرگون کند.
اهمیت این پژوهش در آن است که طبیعت میتواند با استفاده از ترکیبات نسبتاً ساده زیستی، ساختارهایی سخت، کشسان و متناسب با نیاز یک جاندار بسازد. شناخت منطق این طراحی طبیعی ممکن است در آینده به فهم بهتر مواد زیستی و توسعه دیدگاههای تازه در طراحی مواد کمک کند.
مقاله علمیپژوهشی مربوط به این بررسی در نشریه «Biophysics Reviews» منتشر شده است؛ نشریهای که از سوی مؤسسه انتشاراتی «AIP Publishing» منتشر میشود.
انتهای پیام
