قامت مجموعة بحث دولية بقيادة البروفيسور بيز بوكروي من التخنيون بفك رموز عملية تكوين المواد الصلبة والمتينة في أجسام الكائنات البحرية
كيف تنتج الكائنات البحرية أنسجة صلبة مثل الدروع والعدسات البصرية من المواد المتوفرة لديها وفي الظروف المعادية التي تسود تحت الأمواج؟ هذا ما تناولته دراسة أجرتها مجموعة عالمية في مجال النقل البروفيسور بيز بوكروي وطالبة الدكتوراه نوفر بيانكو شتاين من كلية علوم وهندسة المواد. تم إجراء البحث مع الدكتورة كاثرين ديجوي من ESRF - السنكروترون الأوروبي في غرونوبل، فرنسا.
وفي الدراسة التي نشرت مؤخرا في PNAS، ركز العلماء على مشاركة الكالسيت المحتوي على المغنيسيوم في العمليات المذكورة أعلاه. المغنيسيوم هو عنصر معدني قوي وخفيف يلعب العديد من الأدوار في عالم الأحياء، بما في ذلك في جسم الإنسان. الكالسيت، وباللغة العبرية كربونات الكالسيوم، هو معدن شائع جدًا ويشكل حوالي 4% من كتلة القشرة الأرضية. هذه المادة هي عنصر أساسي فيالتمعدن الحيويأي في العملية التي تنتج فيها الكائنات الحية، من المواد المتاحة لها، هياكل مختلفة - اللؤلؤ والعظام والدروع وما إلى ذلك.
يوضح البروفيسور بوكروي أن "عمليات التمعدن الحيوي تنتج هياكل متفوقة في العديد من الجوانب، مثل القوة ومقاومة الكسر، على المنتجات الاصطناعية للعمليات الهندسية. لذلك، ليس هناك شك في أن لدينا الكثير لنتعلمه من هذه العمليات التي تطورت على مدى مليارات السنين من التطور، وأن النتائج التي توصلنا إليها قد تؤدي إلى تحسين العمليات الهندسية في مجموعة متنوعة من المجالات.
في عملية التمعدن الحيوي، يستخدم الكائن استراتيجيات مختلفة لإنتاج هياكل قوية مثل الهيكل الخارجي. يوضح علماء التخنيون و ESRF في مقالتهم أن إحدى الاستراتيجيات المشتركة في هذا السياق هي ترسيب جزيئات الكالسيت النانوية الغنية بالمغنيسيوم في ركيزة منخفضة المغنيسيوم. ووفقا للبروفيسور بوكروي، "لقد اكتشفنا أن هذه الظاهرة تحدث في مجموعة كبيرة ومتنوعة من المخلوقات، حتى مخلوقات من ممالك مختلفة في عالم الحيوان، ونقدر أنها أوسع مما اكتشفنا. ولذلك، فمن المعقول أن نفترض أنها ظاهرة محفوظة (قديمة) للغاية من وجهة نظر تطورية".
وفي الدراسة الحالية، ركز الباحثون على تسعة كائنات مختلفة بما في ذلك قنافذ البحر والطحالب الحمراء ونجم البحر والمرجان وقنفذ البحر. كما ذكرنا سابقًا، فإن اللاعبين الرئيسيين في هذه العملية هما المغنيسيوم والكالسيت. واكتشف الباحثون أن ترسيب جزيئات الكالسيت في الركيزة منخفضة المغنيسيوم يخلق قوى ضغط في الهياكل العظمية تزيد من صلابتها - وهذا دون الحاجة إلى الضغط الميكانيكي المستخدم في إنتاج مواد مماثلة في العمليات الهندسية الاصطناعية.
في حرارة البحر تتم عملية التبلور الفريدة في العدسات المنتشرة على ذراعيه - وهو نوع من العيون البدائية ولكنه فعال لتلبية احتياجاته. هذه العدسات، التي تشبه في خصائصها الزجاج المقسى، تركز ضوء الشمس على المراكز العصبية التي تنقل المعلومات إلى بقية الجسم من خلال الجهاز العصبي. وعلى النقيض من الزجاج المقسى الذي ينتجه الإنسان عند الحرارة العالية وتحت الضغط، يتم إنتاج عدسات نحشون عند درجة حرارة الماء المحددة وبدون ضغط ميكانيكي خارجي غير ضغط الماء. إحدى الخطوات المهمة في هذه العملية هي انتقال الكالسيت من الطور غير المتبلور (المضطرب) إلى الطور البلوري المنظم.
الطحالب الحمراء أن الفريق الدولي الذي بحثه هي طحالب شائعة في المياه الضحلة، حيث تتعرض لضغوط خارجية من أمواج البحر وبالتالي يجب أن تكون مقاومة للتمزق والكسر. ولهذا السبب فإن خلاياها مغلفة ببلورات نانومترية قوية من المغنيسيوم والكالسيت. تخلق هذه البلورات هياكل مجهرية مجوفة تزيد من قوتها ومتانتها.
على الرغم من أن قنفذ البحر والطحالب الحمراء مخلوقات مختلفة تمامًا، إلا أنهما يظهران جوانب هيكلية مشتركة بما في ذلك تبلور الهياكل القوية في عملية ترسيب بلورات نانومترية غنية بالمغنيسيوم في ركيزة تتميز بمستويات منخفضة من المغنيسيوم.
اكتشف الباحثون أن عملية التبلور هذه تعمل على تحسين صلابة المادة ومقاومتها للكسر. علاوة على ذلك، فقد أظهروا في المقالة أنه حتى انخفاض طفيف في نسبة المغنيسيوم في الركيزة المضاعف صلابة المادة بحوالي 100%.
تم دعم البحث بمنحة من ERC وتم إجراؤه بالتعاون مع Grenoble Synchrotron في فرنسا ومختبر Argonne الوطني في إلينوي.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
المضاعفة بنسبة 100% لا تفعل شيئًا.