Манганът и калцият укрепват ноктите на паяк

Германски и израелски биоинженери изследвали връзката между структурата, състава и механичните свойства на ноктите на скитащия паяк тигър (Cupiennius salei) и стигнали до заключението, че мангановите и калциевите йони локално укрепват местата си поради кръстосано свързване на протеини, свързващи кутикулата. По отношение на устойчивостта на триене, ноктите на този паяк изпреварват много органични биологични структури и са наравно с емайла и седефа.

Ноктите, ужилването и зъбите на животните са усъвършенствани отдавна за по-успешно пробиване на жертвата, разрязване на нейните тъкани и захващане на повърхността. Те, подобно на много други естествени структури, са изградени от малко разнообразие от материали: полизахариди като хитин и целулоза, протеини като кератин, колаген и фиброин и минерали (калциев карбонат и фосфат и силициев оксид). Въпреки това, механичните свойства на биоматериалите са обширни, главно поради хетерогенността на състава и йерархичната архитектура.

Пример за такъв материал е кутикулата на членестоноги. При паяците той лежи в основата на ноктите на краката, както и хелицерата. Ноктите им помагат да се движат, да се катерят и да се придържат към груби повърхности. И с помощта на хелицера животното пробива екзоскелета на жертвата и инжектира отрова под него. Кутикулата се състои от нишковидна прокутикула и външна епикутикула. В тях хитин-протеиновите влакна са нагънати или на слоеве с успоредна посока на нишките, или в структура от преплетен шперплат, в която посоката на хитинови кристали се променя от слой на слой.

Подобна променливост в структурата на влакната води до значителни промени в механичните свойства на кутикулата в различни части на тялото на едно животно. Освен това при паяците Cupiennius salei хелицерите са локално подсилени поради кръстосано свързване на хистидиновите области на протеините с цинкови йони. Процесите на минерализация са по-чести при ракообразните, но други членестоноги също натрупват цинкови, манганови и калциеви йони в кутикуларните адаптации (например при насекоми в жила, челюсти и яйцеклади).

Механичното поведение на кутикулата е проучено до голяма степен, но не е извършен мащабен анализ на връзката между нейната структура, свойства и функции. Такъв анализ би установил механизъм за адаптиране към специални функции на материално ниво.

Мариам Тадайон и Яел Полити и колегите от Института за колоиди и повърхности Макс Планк и Университета Бен Гурион моделираха механичното напрежение върху ноктите на Cupiennius salei и определиха как структурата на кутикулата се адаптира към напреженията в различни части от тях, а след това сравниха адаптирани структури на хелицери и нокти паяк с други биологични обекти.