Vědci odhalili, jak mohou mořské houby 'tkát sklo'. Čeká nás materiálová revoluce?

- Příroda autor: Jan Toman

Zatímco člověk potřebuje k výrobě ze skla agresivní chemické příměsi a teplotu stovek stupňů Celsia, třeba takové mořské houby dokáží vytvářet komplikované skleněné jehličky i za zcela standardních podmínek. Jaké si drží tajemství?

Mořské houby dokáží tvořit ze skla. Ilustrační snímek

Mořské houby dokáží tvořit ze skla. Ilustrační snímek,zdroj: ThinkStock

Roztodivné schránky a kostry organismů jsou nezpochybnitelnými divy přírody. Ať už jde o jejich složitou vnitřní strukturu zajišťující pevnost a pružnost, nebo samotný fakt, že je organismy vystavěly z anorganických látek typu uhličitanu vápenatého, apatitu či ještě exotičtějších materiálů, znovu a znovu dokazují neuvěřitelnou kreativitu pozemské evoluce. Vpravdě mistrovským kouskem je ale schopnost některých organismů tvarovat struktury z amorfního oxidu křemičitého. Jinými slovy, ze skla.

Mořské houby patří mezi nejjednodušší mnohobuněčné živočichy. Podle většiny studií se z jejich společného evolučního stromu oddělily jako první, a to před více než 500 miliony let. Patrně také velmi blízce připomínají společného předka všech živočichů.

Nevykazují žádné známky dvoustranné souměrnosti, nemají složitě organizované tkáně ani orgány a živí se jednoduchým filtrováním mořské vody. Přesto se vyznačují několika fascinujícími evolučními vynálezy, mezi které můžeme zařadit i tvorbu jehliček vnitřní kostry – spikul.

Modelují díky bílkovinnému řetězci

Spikuly mohou být stavěné, mimo jiné, z amorfního oxidu křemičitého. Nezřídka jsou druhově specifické. Vyznačují se složitými třídimenzionálními tvary a krystalickou symetrií. Některé připomínají jednoduché jehly, jiné hvězdy, čtyřhrany, rozvětvené stromky nebo i daleko složitější útvary.

Jak ale vědci odhalili v posledních letech, všechny bez výjimky svým středem vedou dlouhý bílkovinný řetězec. Právě ten je zřejmě klíčovou ingrediencí, mechanismem, pomocí kterého dokáží mořské houby oxid křemičitý modelovat.

Proteiny, které řetězec tvoří, jsou enzymaticky aktivní. Jinými slovy, bohatě reagují se svým okolím a podle všeho slouží jednak jako kostra, na kterou molekuly oxidu křemičitého přisedají, tak jako katalyzátor, který jejich organizovanou krystalizaci umožňuje. Mohou být navíc vázány jen na specifické buňky.

Spikuly se od sebe výrazně liší

Nově badatelé detailně prozkoumali spikuly tří druhů mořských hub – Tethya aurantium, Stryphnus Ponderosus a Geodia cydonium – s cílem odhalit možný vztah mezi tvarem bílkovinného "vodícího" vlákna a výsledné jehlice.

Spikuly prvního druhu jsou velmi jednoduché. Připomínají jehly s šestihranným průřezem, šířkou 35 mikrometrů a délkou až dva milimetry. Uvnitř houby jsou umístěné paprskovitě od středu ke krajům.

Spikuly Stryphnus Ponderosus jsou o něco menší, mají trojúhelníkový průřez a tvar čtyřstěnu. Sestávají z jednoho dlouhého hlavního "stonku" a tří vedlejších "větví", které se každá ještě jednou větví. Výsledek připomíná symetrické stromky, jejichž "koruny" podpírají svrchní vrstvy houby.

Jehlice Geodia cydonium jsou nejmenší a nejsložitější. Mají kulový tvar a sestávají z mnoha trojúhelníkových jehliček spojených ve středu. Celkově tak připomínají malé ježky, kteří spolu podpírají tuhou svrchní kůru houby. Všechny studované jehlice jsou organizovány v šesterečné krystalové mřížce.

Studium "vodícího" bílkovinného řetězce pokročilými metodami rentgenové difrakce a tomografie odhalilo, že organizace celých spikul jen odráží vlastnosti centrální bílkovinné molekuly v mikroměřítku. Parametry krystalizace jsou u bílkovinných molekul i spikul všech tří druhů takřka totožné.

Za obrovskými rozdíly v tvarování jehlic tak patrně stojí hlavně odlišnosti ve větvení bílkovinného vlákna. Detailní pravidla vztahu mezi bílkovinným vláknem a skleněnou jehlicí zatím zůstávají tajemstvím. Jisté je, že se v nich budou uplatňovat síly tak malé a efekty natolik subtilní, že se jim v lidském konání blíží snad jen nanotechnologie.

Návod pro výrobu nanokrystalů

Celý výzkum skleněných jehlic přitom není žádným samoúčelným cvičením. V poslední době se celá řada výzkumných pracovišť a nadnárodních společností zaměřila na tvorbu a využití nanokrystalů. S těmito komponentami, které tvarem sahají od jednoduchých tyčinek po složité hvězdice a mohou být tvořené kovy, jejich oxidy i polovodiči, se patrně budeme čím dál častěji setkávat v solárních panelech, senzorech a dalších specializovaných elektronických zařízeních.

Cesty, kterými člověk nanokrystaly vytváří, jsou přitom velmi podobné postupům, které užívají mořské houby při tvorbě svých jehlic. Pravda, my musíme navodit nezvyklé fyzikální a chemické podmínky, aby se krystaly začaly tvarovat podle našich představ, zatímco houbám patrně stačí jemné zásahy do tvaru "vodící" bílkovinné molekuly.

Inspirace jejich postupy nám ale může v budoucnu otevřít zcela nové cesty, jak neživou hmotu podřídit našim představám. Mrakodrapy rostoucí z hory písku a jednoho malého „semínka“ jsou zatím jen vzdálenou představou. Pokud bychom ale zvládli řízenou krystalizaci na takové úrovni jako mořské houby, zcela jistě by to znamenalo převrat v mnoha oborech od materiálové vědy, přes elektroniku až po stavebnictví.

Zdroj: Schoeppler V, Reich E, Vacelet J, ... & Zlotnikov I (2017): Shaping highly regular glass architectures: A lesson from nature. Science Advances, 3.

Tagy: nanotechnologie podmořský svět zvířata a příroda nanovlákna moře a oceány

Zdroje: vlastní