Spinnen en andere beestjes danken hun krachtige beet aan zware metalen

Verbindingen van elementen als zink en koper met natuurlijke eiwitten zorgen voor duurzame angels, klauwen en kaken, aldus een nieuw onderzoek.

Gepubliceerd 14 sep. 2021 11:48 CEST
01-regal-jumping-spider

Een in gevangenschap levende springspin (Phidippus regius) toont haar iriserende tanden.

Foto van Emanuele Biggi, Nature Picture Library

Een teek die zich op een hert wil vastbijten, moet eerst door een dikke, harige vacht zien te komen. Bladsnijdersmieren kauwen met gemak taaie tropische bladeren weg. En schorpioenen kunnen met hun staart gif inspuiten bij prooien die verschillende keren groter zijn dan zijzelf.

Dat soort bijzondere fenomenen houdt fysicus Robert Schofield van de University of Oregon al lange tijd bezig. Hoe komen die kleine wezens aan die uitzonderlijke kracht?

Volgens zijn recente onderzoek waarover onlangs een artikel verscheen in Scientific Reports is het antwoord te vinden in de atoomstructuur van hun wapens.

Wetenschappers wisten al dat de kaken, tanden en angels van bepaalde soorten ongewervelden een grote hoeveelheid zware metalen bevatten, zoals zink, koper en mangaan. Bij sommige soorten beslaan die zelfs 20% van hun gewicht. Maar ze wisten niet wat het verband was tussen deze metalen en de bestendige eiwitten die ook in lichaamsdelen van deze ongewervelden worden aangetroffen. (Kijk naar de verbazingwekkende snelheid waarmee deze spinnen hun kaken kunnen dichtklappen.)

Door de eiwitten en zware metalen op molecuulniveau te analyseren, ontdekten Schofield en zijn collega’s dat in de eiwitketens losse metaalatomen worden opgenomen, zodat er een sterk, duurzaam composietmateriaal ontstaat, dat ze de naam ‘zware-elementen-biomateriaal’ gaven.

Lees ook: Deze monsterachtige spin kan bijzonder goed horen – zonder oren!

“Het is echt heel cool dat de toevoeging van die materialen ervoor zorgt dat die dieren over zwaarder gereedschap kunnen beschikken,” aldus bioloog Stephanie Crofts van het College of the Holy Cross in Massachusetts, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Deze studie laat zien dat dit fenomeen bij een heel scala aan organismen te zien is en dat het misschien vaker voorkomt dan we denken.”

Het zou ook goed kunnen, voegt ze daaraan toe, dat dergelijke zware-elementen-biomaterialen een inspiratiebron vormen voor technici die nieuwe producten ontwikkelen, zoals kleinere mobiele telefoons of duurzamere medische apparatuur.

Beter dan biomineralen

Dieren kennen natuurlijk ook een andere manier om een sterk natuurlijk materiaal te vormen. Dit vaak voorkomende proces, dat biomineralisatie wordt genoemd, vindt plaats wanneer de eiwitten in het lichaam van een dier zich rond grote minerale kristallen vouwen, zoals in botten of in bepaalde schelpen. Botmateriaal is een robuust mengsel van mineralen (meestal calciumcarbonaat) en eiwitten dat het skelet van een dier de nodige flexibiliteit geeft, en veel meer kan worden opgerekt of ingedrukt dan een van die materialen los zou kunnen. (Lees meer wetenschappelijke feiten over botweefsel.)

Maar biomineralisatie kent ook zijn beperkingen: denk aan de breekbaarheid van schelpen. “Wanneer je iets scherps van biomateriaal zou maken, zou dat hetzelfde zijn als wanneer je een mes van bakstenen maakt,” vertelt Schofield. De wetenschapper bestudeert de kaken en poten van ongewervelden al sinds er eind jaren tachtig een mier rondkroop op de vloer van zijn kantoorruimte - waar hij nu nog steeds werkt. 

Spin maakt radslagen en wordt de inspiratie voor nieuwe robot
Deze spin gaat over op acrobatische trucs als hij bedreigd wordt.

Biomineralen zijn geen goede oplossing voor veel ongewervelden, omdat de dieren behoefte hebben aan scherpe, harde lichaamsdelen die ertegen moeten kunnen dat ze constant worden gebruikt. Een verbrijzelde stekel zou voor een schorpioen een doodvonnis betekenen. Dus gingen ze op zoek naar iets anders, aldus Schofield.

Een krachtige mix van metalen en eiwitten

Voor zijn meest recente onderzoek kijken Schofield en zijn collega’s van het Pacific Northwest National Laboratory en de Oregon State University naar lichaamsdelen van mieren, spinnen, schorpioenen, weekdieren en een bepaalde soort zeepier. Het team bouwde speciaal miniatuurgereedschap om de mechanische eigenschappen van de lichaamsdelen te kunnen bepalen en ze atoom voor atoom te ontleden.

Ze ontdekten dat zware metalen als zink en mangaan gelijkelijk waren verdeeld over de lichaamsdelen van ongewervelden, in tegenstelling tot het materiaal in botten en andere biomaterialen. Door deze atoomstructuur kunnen de lichaamsdelen scherper zijn en zijn ze beter bestand tegen slijtage dan wanneer de eiwitten deze metalen niet zouden bevatten.

Daarnaast hebben de zware-elementen-biomaterialen nog een ander voordeel: het kost een mier 60 procent minder energie om een blad te snijden dan zonder deze atoomstructuur, volgens de berekeningen van het onderzoeksteam. (Lees over de draculamier, die vijfduizend keer zo snel kan bijten als jij met je ogen kunt knipperen.)

Schofield heeft nog steeds veel vragen, zoals of deze van nature harde materialen op één moment ontstonden of verschillende keren bij verschillende groepen gewervelden, van schaaldieren tot duizendpoten.

Lees ook: Nieuwe fossielen van spinnen met 'gloeiende' ogen gevonden in Zuid-Korea

Intussen levert de ontdekking mogelijk nieuwe kansen op voor menselijke toepassingen, aldus Crofts.

Zo zijn ontwerpers altijd op zoek naar betere manieren om kleine voorwerpen te maken die toch niet snel breken, zoals smartphones en draagbare medische hulpmiddelen als insulinepompen.

De productie van dergelijke apparaten met deze atoomsamenstelling van eiwitten en zware metalen zou producten kunnen opleveren die duurzaam, licht en sterk zijn, zegt Crofts - alweer een voorbeeld van wat wij van de natuur kunnen leren.

Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in het Engels op nationalgeographic.com

Lees meer

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

  • Gebruiksvoorwaarden
  • Privacyverklaring
  • Cookiebeleid
Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2017 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.