蜘蛛與其他「小野獸」尖牙利齒的祕方──重金屬

根據斯科菲爾德新發表在《科學報告》（Scientific Reports）期刊上的論文，答案就在牠們工具的原子結構上。

科學家早已知道某些無脊椎動物的大顎、尖牙以及螫針中含有鋅、銅、錳等大量重金屬──在部分物種身上，重金屬甚至能占到20%的重量。然而，這些金屬成分與同樣存在些部位裡的堅韌蛋白質到底有什麼關聯，卻始終成謎。

斯科菲爾德與同事在分子尺度下分析蛋白質與重金屬後，發現這些蛋白質內被織入一顆一顆金屬原子，創造出了一種既強韌又耐用的複合材料，他們將其稱之為「重元素生物材料」（heavy element biomaterials）。

「加入這些金屬來讓工具更加耐用，真的很酷。」並未參與此項研究的麻州聖十字學院生物學家斯蒂芬妮．克羅夫茨（Stephanie Crofts）說：「這篇研究說明了許多生物都有這項能力，而且可能比想像中還要常見。」

克羅夫茨補充說，這些「重元素生物材料」或許能啟發工程師創造更小巧的手機和更堅固的醫療設備等產品。

勝過生物礦物

想當然爾，動物早就演化出其他方法來製造堅硬的天然材料。這種被廣泛應用的方法稱為「生物礦化」（biomineralization），也就是當動物體內的蛋白質包覆住大型礦物結晶，形成像是骨頭或是某些貝殼等材質。骨頭本身是一種礦物（主要是碳酸鈣）與蛋白質的強大組合，能提供動物作為骨骼所必需的彈性、延展性與耐壓性，且遠遠超出這兩種材質個別所能企及的程度。

但生物礦化作用有其極限──想想貝殼有多麼易碎吧？斯科菲爾德說：「想用生物礦物來打造尖銳的東西，就好比是用磚頭來做把刀。」自有隻螞蟻在1980年代末，緩緩爬過他辦公室的地板以來，斯科菲爾德一直在同一間辦公室研究無脊椎動物的大顎與爪子。

對於許多需要尖銳、堅固又耐用構造的無脊椎動物來說，「生物礦物」顯然不是牠們要的答案。斯科菲爾德表示，好比對一隻蠍子而言，一根破碎的螫針就等同一份死刑判決，也難怪牠們需另闢蹊徑了。

金屬與蛋白的強大複合材料

在最新研究中，斯科菲爾德和來自西北太平洋國家實驗室 （Pacific Northwest National Laboratory）以及奧勒岡州的同事，檢查了幾種螞蟻、蜘蛛、蠍子、軟體動物與剛毛蟲的身體結構。研究團隊打造了微型探針來檢測這些部位的力學性質，並以原子級的精度剖析觀察。

研究團隊發現，在這些無脊椎動物的身體部位，均勻遍佈著鋅和錳等重金屬，這與骨骼或是其他生物礦物有所不同；含有金屬原子結構的蛋白質部位，也更加鋒利、耐磨損。

重元素生物材料還有項能「節流」的優點：根據研究團隊計算，切葉蟻憑著這樣的金屬原子結構，在切割樹樹葉時可省下約60%的能量消耗。

斯科菲爾德的疑惑還沒有結束，比如從甲殼類到蜈蚣等不同類群的無脊椎動物間，這樣的天然堅韌材料是經過一次還是多次獨立演化而來？

克羅夫茨表示，這項發現也同時創造出人類工具新的可能。

舉例來說，工程師一直在想怎麼樣才能打造出又小又牢靠的東西，像是智慧型手機，以及穿戴式醫療裝置（如胰島素泵）。

克羅夫茨說，如法炮製蛋白質與重金屬原子的排列方式來打造工具，就能讓產品更輕巧、堅固，還能應付日常使用，這又是一個「天然的尚好」的例子啦！

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