Como as formigas ficam com as presas tão afiadas? Crédito da imagem: CC BY-SA 4.0 Arundaga2
Cientistas determinaram que proteínas com infusão de zinco permitem que aranhas e insetos perfurem a pele resistente.
Robert Schofield - um professor pesquisador em física da Universidade de Oregon - descreve as descobertas.
Muitos pequenos animais desenvolvem seus dentes, garras e outras "ferramentas" de materiais que são preenchidos com zinco, bromo e manganês, chegando a atingir 20% do peso do material. Meus colegas e eu chamamos isso de "biomateriais de elemento pesado" e, em um novo artigo, sugerimos que esses materiais tornam possível para os animais desenvolverem ferramentas afiadas e de formato preciso que são resistentes à quebra, deformação e desgaste.
Por causa do tamanho pequeno de coisas como os dentes das formigas, tem sido difícil para os biólogos testar o quão bem os materiais de que são feitos resistem a fraturas, impactos e abrasões. Meu grupo de pesquisa desenvolveu máquinas e métodos para testar essas e outras propriedades e, junto com nossos colaboradores, estudamos sua composição e estrutura molecular.
Examinamos os dentes da mandíbula de formigas e descobrimos que eles são uma mistura uniforme de proteínas e zinco, com átomos de zinco unidos a cerca de um quarto das unidades de aminoácidos que compõem as proteínas que formam os dentes. Em contraste, as ferramentas calcificadas - como os dentes humanos - são feitas de pedaços relativamente grandes de minerais de cálcio. Achamos que a falta de grossos em biomateriais de elementos pesados os torna melhores do que materiais calcificados na formação de ferramentas suaves, de formato preciso e extremamente afiados.
Para avaliar as vantagens dos biomateriais de elemento pesado, estimamos a força, a energia e o tamanho do músculo necessários para o corte com ferramentas feitas de diferentes materiais. Comparado com outros materiais duros cultivados por esses animais, o material de zinco resistente ao desgaste permite que ferramentas muito usadas perfurem substâncias rígidas usando apenas um quinto da força. A vantagem estimada é ainda maior em relação aos materiais calcificados que - uma vez que não podem ser tão afiados quanto os biomateriais de elemento pesado - podem exigir mais de 100 vezes mais força.
Por que isso importa
Não é surpreendente que os materiais que poderiam fazer ferramentas afiadas evoluam em pequenos animais. Um carrapato e um lobo precisam perfurar a mesma pele de alce, mas o lobo tem músculos muito mais fortes. O carrapato pode compensar seus músculos minúsculos usando ferramentas mais afiadas que concentram a força em regiões menores.
Mas, como uma ponta afiada de lápis, pontas de ferramentas mais afiadas quebram com mais facilidade. O perigo de fratura é ainda pior pela tendência de pequenos animais estenderem seu alcance usando ferramentas longas e finas - como as da foto acima. E uma garra ou dente lascado pode ser fatal para um pequeno animal que não tem força para cortar com ferramentas embotadas.
Mas descobrimos que os biomateriais de elemento pesado também são particularmente duros e resistentes a danos.
Cientistas determinaram que proteínas com infusão de zinco permitem que aranhas e insetos perfurem a pele resistente.
Robert Schofield - um professor pesquisador em física da Universidade de Oregon - descreve as descobertas.
Muitos pequenos animais desenvolvem seus dentes, garras e outras "ferramentas" de materiais que são preenchidos com zinco, bromo e manganês, chegando a atingir 20% do peso do material. Meus colegas e eu chamamos isso de "biomateriais de elemento pesado" e, em um novo artigo, sugerimos que esses materiais tornam possível para os animais desenvolverem ferramentas afiadas e de formato preciso que são resistentes à quebra, deformação e desgaste.
Por causa do tamanho pequeno de coisas como os dentes das formigas, tem sido difícil para os biólogos testar o quão bem os materiais de que são feitos resistem a fraturas, impactos e abrasões. Meu grupo de pesquisa desenvolveu máquinas e métodos para testar essas e outras propriedades e, junto com nossos colaboradores, estudamos sua composição e estrutura molecular.
Examinamos os dentes da mandíbula de formigas e descobrimos que eles são uma mistura uniforme de proteínas e zinco, com átomos de zinco unidos a cerca de um quarto das unidades de aminoácidos que compõem as proteínas que formam os dentes. Em contraste, as ferramentas calcificadas - como os dentes humanos - são feitas de pedaços relativamente grandes de minerais de cálcio. Achamos que a falta de grossos em biomateriais de elementos pesados os torna melhores do que materiais calcificados na formação de ferramentas suaves, de formato preciso e extremamente afiados.
Para avaliar as vantagens dos biomateriais de elemento pesado, estimamos a força, a energia e o tamanho do músculo necessários para o corte com ferramentas feitas de diferentes materiais. Comparado com outros materiais duros cultivados por esses animais, o material de zinco resistente ao desgaste permite que ferramentas muito usadas perfurem substâncias rígidas usando apenas um quinto da força. A vantagem estimada é ainda maior em relação aos materiais calcificados que - uma vez que não podem ser tão afiados quanto os biomateriais de elemento pesado - podem exigir mais de 100 vezes mais força.
Por que isso importa
Não é surpreendente que os materiais que poderiam fazer ferramentas afiadas evoluam em pequenos animais. Um carrapato e um lobo precisam perfurar a mesma pele de alce, mas o lobo tem músculos muito mais fortes. O carrapato pode compensar seus músculos minúsculos usando ferramentas mais afiadas que concentram a força em regiões menores.
Mas, como uma ponta afiada de lápis, pontas de ferramentas mais afiadas quebram com mais facilidade. O perigo de fratura é ainda pior pela tendência de pequenos animais estenderem seu alcance usando ferramentas longas e finas - como as da foto acima. E uma garra ou dente lascado pode ser fatal para um pequeno animal que não tem força para cortar com ferramentas embotadas.
Mas descobrimos que os biomateriais de elemento pesado também são particularmente duros e resistentes a danos.
De uma perspectiva evolutiva, esses materiais permitem que animais menores consumam alimentos mais duros. E a energia economizada pelo uso de menos força durante o corte pode ser importante para qualquer animal. Essas vantagens podem explicar o uso difundido de biomateriais de elementos pesados na natureza - a maioria das formigas, muitos outros insetos, aranhas e seus parentes, vermes marinhos, crustáceos e muitos outros tipos de organismos os utilizam.
O que ainda não se sabe
Embora a pesquisa da minha equipe tenha esclarecido as vantagens dos biomateriais de elementos pesados, ainda não sabemos exatamente como o zinco e o manganês endurecem e protegem as ferramentas.
Uma possibilidade é que uma pequena fração do zinco, por exemplo, forme pontes entre as proteínas, e essas ligações cruzadas endurecem o material - como as vigas cruzadas endurecem uma construção. Também pensamos que quando uma presa bate em algo duro, essas ligações cruzadas de zinco podem se quebrar primeiro, absorvendo energia para impedir que a própria presa se lasque.
Especulamos que a abundância de zinco extra é um suprimento pronto para a cura do material, restabelecendo rapidamente as ligações cruzadas de zinco-histidina quebradas entre as proteínas.
Qual é o próximo?
O potencial de esses materiais serem autocuráveis os torna ainda mais interessantes, e a próxima etapa de nossa equipe é testar essa hipótese. Eventualmente, podemos descobrir que a autocura ou outras características de biomateriais de elementos pesados podem levar a materiais aprimorados para coisas como pequenos dispositivos médicos.
O que ainda não se sabe
Embora a pesquisa da minha equipe tenha esclarecido as vantagens dos biomateriais de elementos pesados, ainda não sabemos exatamente como o zinco e o manganês endurecem e protegem as ferramentas.
Uma possibilidade é que uma pequena fração do zinco, por exemplo, forme pontes entre as proteínas, e essas ligações cruzadas endurecem o material - como as vigas cruzadas endurecem uma construção. Também pensamos que quando uma presa bate em algo duro, essas ligações cruzadas de zinco podem se quebrar primeiro, absorvendo energia para impedir que a própria presa se lasque.
Especulamos que a abundância de zinco extra é um suprimento pronto para a cura do material, restabelecendo rapidamente as ligações cruzadas de zinco-histidina quebradas entre as proteínas.
Qual é o próximo?
O potencial de esses materiais serem autocuráveis os torna ainda mais interessantes, e a próxima etapa de nossa equipe é testar essa hipótese. Eventualmente, podemos descobrir que a autocura ou outras características de biomateriais de elementos pesados podem levar a materiais aprimorados para coisas como pequenos dispositivos médicos.
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