סיקור מקיף

ללמוד מהיצורים הימיים כיצד ליצור חומרים קשיחים

קבוצת מחקר בין-לאומית בהובלת פרופ' בעז פוקרוי מהטכניון פענחה את תהליך היווצרותם של חומרים קשיחים ועמידים בגופם של אורגניזמים ימיים

תשעת האורגניזמים הנחקרים והמבנה שלהם
תשעת האורגניזמים הנחקרים והמבנה שלהם

כיצד מייצרים אורגניזמים ימיים רקמות קשיחות כגון שריון ועדשות אופטיות מהחומרים הזמינים להם ובתנאים העוינים השוררים מתחת לגלים? בכך עוסק מחקר של קבוצה בין-לאומית בהובלת פרופ' בעז פוקרוי והדוקטורנטית נופר ביאנקו-שטיין מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. המחקר נערך עם ד"ר קתרין דג'וי מ- ESRF – הסינכרונטרון האירופי בגרנובל, צרפת.

במחקר, שהתפרסם לאחרונה ב-PNAS, התמקדו המדענים במעורבותו של קלציט המכיל מגנזיום בתהליכים האמורים. מגנזיום הוא יסוד מתכתי חזק וקל הממלא תפקידים רבים בעולם החי, גם בגוף האדם. קלציט, ובעברית פחמת הסידן, הוא מינרל נפוץ מאוד המהווה כ-4% ממסת קרום כדור הארץ. חומר זה הוא מרכיב חיוני בביומינרליזציה, כלומר בתהליך שבו מייצרים אורגניזמים, מהחומרים הזמינים להם, מבנים שונים – פנינים, עצמות, שריון וכן הלאה. 

"תהליכי ביומינרליזציה," מסביר פרופ' פוקרוי, "מייצרים מבנים העולים בהיבטים רבים, כגון חוזק ועמידות לשברים, על תוצרים מלאכותיים של תהליכים הנדסיים. לכן אין ספק שיש לנו הרבה מה ללמוד מתהליכים אלה שהתפתחו במיליארדי שנות אבולוציה, ושהממצאים שלנו עשויים להוביל לשיפור תהליכים הנדסיים במגוון תחומים."

בתהליך הביומינרליזציה משתמש האורגניזם באסטרטגיות שונות כדי לייצר מבנים חזקים כגון שלד חיצוני. מדעני הטכניון ו- ESRFמראים במאמרם כי אחת האסטרטגיות הנפוצות בהקשר זה היא שיקוע של חלקיקי קלציט ננומטריים עתירי מגנזיום בתוך מצע דל מגנזיום. לדברי פרופ' פוקרוי, "גילינו כי תופעה זו מתרחשת במגוון עצום של יצורים, אפילו יצורים מממלכות שונות בעולם החי, ואנו מעריכים כי היא רחבה אף יותר ממה שגילינו. לכן סביר להניח כי היא תופעה שמורה (קדומה) מאוד מבחינה אבולוציונית."

4.      השיקוע של חלקיקי קלציט ננומטריים עתירי מגנזיום באורגזימים שונים תלוי בתכולת המגנזיום בשלד שלהם
השיקוע של חלקיקי קלציט ננומטריים עתירי מגנזיום באורגזימים שונים תלוי בתכולת המגנזיום בשלד שלהם

במחקר הנוכחי התמקדו החוקרים בתשעה אורגניזמים שונים ובהם נחשוני ים, אצות אדומות, כוכב ים, אלמוג וקיפודי ים. שני השחקנים המרכזיים בתהליך הם כאמור מגנזיום וקלציט. החוקרים גילו כי שיקוע חלקיקי הקלציט במצע דל המגנזיום יוצר בשלדים מאמצי דחיסה המגבירים את קשיחותם – זאת ללא הצורך בדחיסה מכנית הנהוגה בייצור חומרים דומים בתהליכים הנדסיים מלאכותיים.

בנחשון הים מתרחש תהליך ההתגבשות הייחודי בעדשות הפזורות על זרועותיו – מעין עיניים פרימיטיביות אך יעילות לצרכיו. עדשות אלה, הדומות במאפייניהן לזכוכית מחוסמת, ממקדות את אור השמש על מרכזים עצביים המעבירים את המידע לשאר הגוף דרך מערכת העצבים. בניגוד לזכוכית המחוסמת שמייצר האדם בחום גבוה ותחת לחץ, עדשות הנחשון מיוצרות בטמפרטורת המים הנתונה וללא לחץ מכני חיצוני מלבד לחץ המים. שלב חשוב בתהליך זה הוא המעבר של הקלציט מפאזה אמורפית (חסרת סדר) – לפאזה הגבישית המסודרת.

האצות האדומות שחקר הצוות הבין-לאומי הן אצות הנפוצות במים רדודים, שם הן נתונות ללחצים חיצוניים של גלי הים ולכן חייבות להיות עמידות לקריעה ולשבר. משום כך מצופים תאיהן באותם גבישים ננומטריים חזקים של מגנזיום-קלציט. גבישים אלה יוצרים מיקרו-מבנים חלולים המגבירים את כוחן ואת עמידותן.

אף שנחשון הים והאצות האדומות הם יצורים שונים מאוד, הם מפגינים היבטים מבניים משותפים ובהם אותה התגבשות של מבנים חזקים בתהליך של שיקוע גבישים ננומטריים עתירי מגנזיום במצע המאופיין ברמות מגנזיום נמוכות.

החוקרים גילו כי תהליך התגבשות זה משפר הן את קשיות החומר והן את העמידות לשברים. יתר על כן, הם מראים במאמר כי אפילו הפחתה קלה של שיעור המגנזיום במצע מכפילה את קשיות החומר בכ-100%.

המחקר נתמך על ידי מענק ERC ונערך בשיתוף סינכרוטרון גרנובל בצרפת ו- Argonne National Laboratory באילינוי.


למאמר בכתב העת PNAS  

עוד בנושא באתר הידען:

תגובה אחת

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן