Las arañas y las hormigas usan zinc para afilar sus dientes

Los científicos han determinado que las proteínas con infusión de zinc permiten que las arañas y los insectos pinchen la piel dura.
Robert Schofield, profesor de investigación en física de la Universidad de Oregon, describe los hallazgos.

A muchos animales pequeños les salen dientes, garras y otras “herramientas” de materiales que están llenos de zinc, bromo y manganeso, alcanzando hasta el 20% del peso del material. Mis colegas y yo llamamos a estos “biomateriales de elementos pesados”, y en un nuevo artículo, sugerimos que estos materiales hacen posible que los animales desarrollen herramientas afiladas con bisturí y con formas precisas que son resistentes a la rotura, la deformación y el desgaste.

Debido al pequeño tamaño de cosas como los dientes de las hormigas, ha sido difícil para los biólogos probar qué tan bien los materiales con los que están hechos resisten fracturas, impactos y abrasiones. Mi grupo de investigación desarrolló máquinas y métodos para probar estas y otras propiedades, y junto con nuestros colaboradores, estudiamos su composición y estructura molecular.

Examinamos los dientes de la mandíbula de las hormigas y descubrimos que son una mezcla suave de proteínas y zinc, con átomos de zinc individuales unidos a aproximadamente una cuarta parte de las unidades de aminoácidos que componen las proteínas que forman los dientes. Por el contrario, las herramientas calcificadas, como los dientes humanos, están hechas de trozos relativamente grandes de minerales de calcio. Creemos que la falta de grumosidad en los biomateriales de elementos pesados ​​los hace mejores que los materiales calcificados para formar herramientas suaves, de forma precisa y extremadamente afiladas.

Para evaluar las ventajas de los biomateriales de elementos pesados, estimamos la fuerza, la energía y el tamaño de los músculos necesarios para cortar con herramientas de diferentes materiales. En comparación con otros materiales duros cultivados por estos animales, el material de zinc resistente al desgaste permite que las herramientas muy usadas pinchen sustancias rígidas utilizando solo una quinta parte de la fuerza. La ventaja estimada es aún mayor en relación con los materiales calcificados que, dado que no pueden ser tan afilados como los biomateriales de elementos pesados, pueden requerir más de 100 veces más fuerza.

Por que importa

No es sorprendente que los materiales que podrían fabricar herramientas afiladas evolucionen en animales pequeños. Una garrapata y un lobo necesitan perforar la misma piel de alce, pero el lobo tiene músculos mucho más fuertes. La garrapata puede compensar sus diminutos músculos mediante el uso de herramientas más afiladas que concentran la fuerza en regiones más pequeñas.

Pero, como la punta de un lápiz afilado, las puntas de herramientas más afiladas se rompen con más facilidad. El peligro de fractura se agrava aún más por la tendencia de los animales pequeños a extender su alcance utilizando herramientas largas y delgadas, como las que se muestran arriba. Y una garra o un diente astillado pueden ser fatales para un animal pequeño que no tiene la fuerza para cortar con herramientas desafiladas.

Pero descubrimos que los biomateriales de elementos pesados ​​también son particularmente duros y resistentes a los daños.

Desde una perspectiva evolutiva, estos materiales permiten que los animales más pequeños consuman alimentos más duros. Y la energía que se ahorra al usar menos fuerza durante el corte puede ser importante para cualquier animal. Estas ventajas pueden explicar el uso generalizado de biomateriales de elementos pesados ​​en la naturaleza: la mayoría de las hormigas, muchos otros insectos, arañas y sus parientes, gusanos marinos, crustáceos y muchos otros tipos de organismos los usan.

Lo que aún no se sabe

Si bien la investigación de mi equipo ha aclarado las ventajas de los biomateriales de elementos pesados, todavía no sabemos exactamente cómo el zinc y el manganeso endurecen y protegen las herramientas.

Una posibilidad es que una pequeña fracción del zinc, por ejemplo, forme puentes entre proteínas, y estos enlaces cruzados endurecen el material, como las vigas transversales endurecen un edificio. También pensamos que cuando un colmillo golpea algo duro, estos enlaces cruzados de zinc pueden romperse primero, absorbiendo energía para evitar que el colmillo se astille.

Especulamos que la abundancia de zinc adicional es un suministro listo para curar el material al restablecer rápidamente los enlaces cruzados de zinc-histidina rotos entre las proteínas.

¿Que sigue?

El potencial de que estos materiales sean autocurativos los hace aún más interesantes, y el siguiente paso de nuestro equipo es probar esta hipótesis. Eventualmente, podemos encontrar que la autocuración u otras características de los biomateriales de elementos pesados ​​podrían conducir a materiales mejorados para cosas como pequeños dispositivos médicos.

Robert Schofield , profesor de investigación en física, Universidad de Oregon

 

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons.

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