Устрицы создают трёхмерные структуры, организованные физическими процессами

Учёные из Гранадского университета (UGR) обнаружили, что устрицы способны производить трёхмерные структуры, организованные физическими (коллоидными) процессами. Результат напоминает твёрдую пену. Для этого моллюски используют уникальную технику, подобную работе 3D-принтера, которая позволяет им формировать структуры раковины слой за слоем. Это решает проблему ограниченного экстрапаллиального пространства — узкой щели между телом моллюска и его раковиной. Результаты исследования опубликованы в престижном Journal of the Royal Society Interface.

Моллюски, включая устриц, формируют раковину в экстрапаллиальном пространстве толщиной менее одного микрона, заполненном жидкостью. Удивительно, что в таком малом пространстве устрицы могут создавать везикулы (полые полости) диаметром в десятки или даже сотни микрон.

Семейство устриц Gryphaeidae было широко распространено в юрский период (201–145 млн лет назад). Некоторые его группы, начиная с мелового периода, вырабатывают высокопористый материал — везикулярный.

Профессор Антонио Чека (UGR) поясняет: «Этот материал состоит из заполненных жидкостью везикул, окружённых кальцитовыми стенками. Он не очень плотный, и за счёт наслоения везикулярных линз устрица формирует прочную и лёгкую раковину. Это также позволяет создавать толстые раковины с существенной экономией строительного материала, производство которого требует больших метаболических затрат».

Исследование UGR было посвящено механизму построения везикулярных слоёв. Помимо прочих методов, учёные использовали трёхмерные реконструкции и измерения слоёв современных gryphaeid устриц, выполненные на микро-компьютерном томографе Центра научного приборостроения UGR. Все результаты показывают, что везикулярный материал обладает топологическими свойствами и поведением, сходными с твёрдой пеной.

Эмульсия в экстрапаллиальном пространстве

Исследователи пришли к выводу, что устрица создаёт этот материал, сначала формируя эмульсию в экстрапаллиальном пространстве между жидким предшественником кальцитовых стенок и экстрапаллиальной жидкостью. Важно, что пены (газо-жидкостные системы) и эмульсии (жидко-жидкостные системы) являются коллоидными системами, подчиняющимися одним законам.

В процессе роста жидкий предшественник кальцита кристаллизуется, создавая «пузыри», стенки которых твердеют. Они включаются в везикулярный слой, в то время как экстрапаллиальное пространство смещается, и эмульсия в нём продолжает эволюционировать.

Профессор Чека отмечает: «Для работы этого механизма каждая клетка мантии должна уметь распознавать (через контактное распознавание) компонент эмульсии, с которым она контактирует (жидкий предшественник кальцита или экстрапаллиальная жидкость), и продолжать секретировать тот или иной компонент в соответствии с этой информацией».

Обычно процесс создания пены происходит в больших пространствах, где пузыри возникают и исчезают одновременно. Устрицы же развили собственную «технологию», позволяющую им создавать пену слой за слоем, подобно 3D-принтеру. Так они решили проблему ограниченности экстрапаллиального пространства.

Таким образом, везикулярный материал устриц находится под двойным контролем: физическим (самоорганизация эмульсии) и биологическим (сложное клеточное поведение).

Минерализованные материалы, секретируемые организмами, представляют большой интерес для биophysics и материаловедения, поскольку обладают исключительными биомеханическими свойствами (лёгкость, прочность, гибкость), превосходящими свойства их отдельных компонентов. Они служат источником вдохновения для разработки новых высокофункциональных синтетических материалов.