تمكن باحثون من التخنيون وألمانيا من فك رموز عملية تكوين الإبر الزجاجية للإسفنج البحري. ويكشف هذا الاكتشاف عن المبدأ الذي يتيح الإنتاج الطبيعي للزجاج دون تسخين
الإسفنج ("الإسفنج البحري") هو أقدم الكائنات متعددة الخلايا وأكثرها بدائية - حيث تعود أصولها إلى أكثر من نصف مليار سنة. تعيش هذه المخلوقات بشكل رئيسي في المياه المالحة وتتغذى على جزيئات المواد العضوية. على الرغم من بساطتها، طورت العديد من عائلات الإسفنج أثناء التطور القدرة على تصنيع إبر زجاجية - وهي عناصر هيكلية فريدة ودقيقة تزود الإسفنج بالدعم الهيكلي والقوة الميكانيكية والحماية ضد العوامل المعادية. الإبرة (الشوكة) مصنوعة من أكسيد الفورميك (السيليكا) ويتراوح طولها بين بضعة ميكرونات وعدة مليمترات. تتشكل هذه الإبر كهياكل متفرعة ثلاثية الأبعاد، وهي مثال على التناظر في النظم البيولوجية (الشكل 1).
إن صنع الإبر الزجاجية بواسطة الإسفنجة يختلف تماماً عن العمليات الاصطناعية لمعالجة الزجاج، والتي تتطلب تسخين المادة إلى حوالي 1,000 درجة مئوية. تم الآن الكشف لأول مرة عن الآلية الطبيعية لإنشاء الإبر الزجاجية عند درجة حرارة مياه البحر في مقال كتبه البروفيسور الفخري إميل زولوتويافكو من كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون مع شركائه في ألمانيا بقيادة الدكتور إيجور زلوتنيكوف من الجامعة التقنية في دريسدن. ويعرض البحث، الذي نشر في مجلة Science Advances، مبدأ بناء الإبر الزجاجية في إسفنجيات السيليكا (Demospongiae) - وهي المجموعة الأكبر في نظام الإسفنج. يعتمد فك تشفير بنية الإبرة على التجارب التي أجريت في ESRF - مسرع الإلكترون الأوروبي في غرونوبل، فرنسا. تم إجراء هذه التجارب باستخدام الأشعة السينية باستخدام أحدث الطرق: التصوير النانوي والحيود تحت شعاع مركّز.
واكتشف الباحثون أن الإبرة الزجاجية مبنية حول ألياف عضوية يبلغ قطرها حوالي 3 ميكرون. تتكون هذه الألياف بشكل أساسي من السيليكاتين - وهي بروتينات نشطة إنزيميًا تعمل على تسريع نمو أكسيد النيتريك. يتم التحكم في هذه العملية بواسطة خلايا متخصصة تسمى الخلايا الصلبة (خلايا بناء الهيكل العظمي).
هناك اكتشاف مثير للاهتمام بشكل خاص يتعلق بترتيب البروتينات في الألياف. يتم تنظيم البروتينات في كتل نانومترية مرتبة في بنية دورية فريدة من نوعها: مسدس يشبه البلورة. تمتلئ المسام الموجودة داخل هذا الهيكل بالسيليكا غير المتبلورة. وفقًا للبروفيسور زولوتويافكو، "تم بناء كتل النانومتر من البروتين والسيليكا غير المتبلورة بترتيب دوري يخلق نقاطًا حادة جدًا في نمط حيود الأشعة السينية (الصورة 2). يوفر هذا النمط معلومات شاملة حول التماثل وعملية طي الإبر."
ومن بين أمور أخرى، اكتشف الباحثون أن "الجذع الرئيسي للإبرة ينمو بشكل عمودي على المستوى الأساسي للشبكة السداسية للبروتين، وأن المسامير التي تنمو على الجانبين يتم توجيهها بواسطة مستويات هرمية تكون بزاوية تبلغ حوالي 66 درجة نسبية". إلى الطائرة الأساسية. هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على شكل رباعي الأرجل - لقاء بين أربعة أشواك. كما وجدنا طائرات إضافية مسؤولة عن تكوين فروع تشبه الشوكة (الصورة 1)."
ووفقا للبروفيسور زولوتويافكو، "من وجهة نظر هندسية، هناك عملية رائعة تخلق فيها الطبيعة، من المواد المتاحة، هياكل زجاجية معقدة للغاية في درجات حرارة منخفضة - وهي عملية لم يتمكن الإنسان من تحقيقها بعد. ونحن نقدر أن بحثنا، الذي يفك شفرة آلية تشكيل الإبر الزجاجية المتفرعة في الإسفنج، قد يوفر الإلهام لعمليات إنتاج المواد البلورية النانوية المفيدة دون الحاجة إلى التسخين إلى درجات حرارة عالية.
תגובה אחת
ما مدى الحماسة هنا لعملية تحضير السيليكا وأكاسيد المعادن الانتقالية الأخرى دون تسخين إلى آلاف الدرجات؟ بعد كل شيء، منذ منتصف القرن التاسع عشر (في عام 19، على ما أعتقد) بدأت عملية كيميائية من نوع SN1846 تسمى عملية "Sol-Gel"، والتي تتم في درجة حرارة الغرفة، والتي تم إحياؤها وإعادة تقييمها في الثمانينات، تم نشره في المؤلفات العلمية العالمية البروفيسور. ديفيد أفنير من الجامعة العبرية في القدس. اليوم، لا توجد أي شركة تقريبًا (تصنع شاشات عالية الوضوح للغاية، وزجاج أمامي كاره للماء، وطلاءات طاردة للغبار، ونوافذ "ذكية"، ومجموعة كبيرة ومتنوعة من الطلاءات الملونة التي تتكون من مواد عضوية محاصرة، وعدد لا يحصى من أجهزة الاستشعار، وأقطاب الأس الهيدروجيني (تسمى "" الأقطاب الكهربائية الزجاجية")، والمزيد والمزيد. علاوة على ذلك، في التسعينيات من القرن العشرين، بدأ اكتشاف المزيد والمزيد من الحيوانات البحرية التي تخلق عباءة السيليكا حولها. إذن ما الجديد هنا؟!؟
وفي نفس الوقت: من المؤسف أن الباحثين الذين نشروا هذا المقال لم يستشهدوا بمنشور واحد للأستاذ. أفنير في فهم عملية السول جل وتطورها المتسارع. باختصار - لا جديد تحت الشمس، أو كما كان يقول جدي الراحل: «لا جديد تحت الشمس».