На планете есть улитка, к которой можно прилепить магнит. Не метафорически. Буквально. Потому что её панцирь сделан из железа — настоящего, сульфидного, как в метеоритах.
Она живёт в аду из кипящей воды, серы и давления. Эта улитка ВООБЩЕ не ест - у нее даже нет полноценной пищеварительной системы.
И при этом выглядит как киборг из фантастического боевика. Человечество мечтает о наноброне, а эта улитка давно её носит. Причём без патентов и инвесторов.
Знакомьтесь: Chrysomallon squamiferum, она же - единственное животное на планете, которое носит настоящую металлическую броню из железа. Пирит, грейгит - те же минералы, что встречаются в метеоритах. Если поднести к этой улитке магнит, она к нему прилипнет.
Звучит как бред сценариста фантастического боевика. Причём того, которого уволили за перебор фантастики.
Но эволюция творит чудеса, когда речь идет о развитии в экстремальных условиях. Природа создала киборга раньше, чем люди вообще придумали слово «киборг».
Военные США всерьез изучают ее панцирь для создания брони нового поколения.
Где живет металлическая улитка и как ее нашли
Апрель 2001 года, Индийский океан, глубина больше двух с половиной километров. Японский глубоководный аппарат спускается к гидротермальным источникам - тем самым «черным курильщикам», откуда из земных недр бьют кипящие струи воды, насыщенные серой и металлами. Температура там достигает 400 градусов по Цельсию. Давление - сотни атмосфер. Ни света, ни кислорода.
И вот среди этого ада, на раскаленных вулканических камнях, ученые замечают странных существ размером три-четыре сантиметра. Темные, почти черные улитки с необычными чешуйками на ноге.
Панцирь и чешуя оказались не из привычного кальция, а из сульфида железа. Настоящий металл, который в природе обычно встречается только в неживых минералах.
Вулканическая улитка живет всего в трех местах на Земле - три крошечные популяции в Индийском океане. Долина Кедров (Kairei), поле Солитер (Solitaire) и Лонгци (Longqi). Все три точки находятся на Центрально-Индийском хребте, где земная кора трескается и выпускает наружу расплавленную магму.
Броня из настоящего металла - как это вообще работает
У обычных улиток раковина состоит из карбоната кальция - того же вещества, что в меле или мраморе. Крепко, но хрупко. А улитка с железной броней пошла другим путем.
Ее панцирь - это настоящее инженерное чудо с трехслойной структурой. Представьте себе композитную броню танка или кевларовый бронежилет - примерно такая же идея, только в миниатюре и создана не людьми, а эволюцией.
Внешний слой сделан из пирита и грейгита. Это железные минералы - FeS₂ и Fe₃S₄. Грейгит вообще ферримагнитный, то есть реагирует на магнит.
Поэтому если поднести к этой улитке магнит, она к нему прилипнет.
И сразу становится понятно, почему у неё в друзьях нет холодильников.
Этот внешний слой принимает на себя первый удар от хищников.
Средний слой - мягкий органический материал. Он работает как амортизатор. Когда краб с острыми клешнями пытается пробить панцирь, энергия удара рассеивается в этом слое и не доходит до внутренних органов улитки. Тот же принцип, что используется в современных композитных материалах - чередование твердых и мягких слоев.
Внутренний слой - арагонит, обычный для моллюсков минерал на основе кальция. Последний рубеж обороны.
Профессор материаловедения из Массачусетского технологического института Кристин Ортиз со своей командой в 2010 году провела серию экспериментов, имитируя атаки хищников на панцирь. Результаты опубликовали в научном журнале PNAS.
Оказалось, что трехслойная структура не просто твердая - она умеет предотвращать распространение трещин. Если повреждается одна чешуйка, энергия удара гасится, и трещина не идет дальше.
На ноге у улитки сотни перекрывающихся железных пластинок, которые выглядят как доспехи самурая.
Интересная деталь: когда они только растут, они белые. Потом, по мере окисления железа, постепенно темнеют и чернеют. Живая окраска через химический процесс.
Когда улиток впервые поднимали из глубины на поверхность, их панцирь и чешуи начинали ржаветь прямо на глазах. Изменение pH и кислорода в воде запускало окисление.
Вулканическая улитка вообще не ест
У нее нет нормальной пищеварительной системы. Радула (такая зубчатая лента, которой улитки соскребают пищу) редуцирована. Желудок и кишечник уменьшены до минимума.
Вместо еды у железной улитки есть встроенная фабрика по производству питательных веществ. В ее пищеводной железе живут бактерии-симбионты - гамма-протеобактерии.
Эти бактерии питаются сероводородом и водородом из гидротермальных источников - теми самыми ядовитыми веществами, от которых любое нормальное животное сдохло бы за секунды.
Работает это так. Улитка сидит на камне возле «черного курильщика», откуда бьет раскаленная вода с растворенными в ней сульфидами и металлами. Через гипертрофированные кровеносные сосуды она прокачивает эту воду к бактериям. Бактерии окисляют сероводород, получают энергию и превращают углекислый газ в органические молекулы - сахара, аминокислоты, витамины. Весь этот коктейль отправляется в кровоток улитки и питает организм.
Это называется хемосинтез - химический синтез органики из неорганики. На поверхности организмам нужна энергия солнца, здесь - энергия вулкана.
Бактерии в процессе производят дисульфидные анионы (S₂²⁻) - побочный продукт метаболизма. Для большинства организмов это токсичные отходы. А железная улитка нашла им применение: эти анионы реагируют с железом из окружающей воды и создают те самые железные чешуйки на ноге.
Отходы превратились в броню. Мечта любого офиса: чтобы токсичная среда шла на пользу.
У этой улитки самое большое сердце в животном царстве относительно размера тела - 4% от общей массы. Причина проста: вокруг гидротермальных источников критически мало кислорода, и сердце работает как насос на максимальных оборотах, чтобы обеспечить организм хоть какой-то циркуляцией.
Почему военные изучают панцирь улитки
ВМС США финансирует исследования панциря железной улитки уже больше десяти лет. Зачем? Потому что эта броня обладает свойствами, которые инженеры пытаются воспроизвести в лабораториях, но пока не могут.
Военные разрабатывают композитные материалы для бронежилетов солдат, вдохновленные панцирем улитки. Наночастицы железного сульфида встраивают в композитные волокна, создавая гибкие, но прочные защитные слои. Японские военные работают над металл-насыщенными керамическими покрытиями для подводных лодок, копируя трехслойную архитектуру.
Но самый большой интерес вызывает не сама броня, а способ ее производства. В 2019 году японские ученые из JAMSTEC раскрыли механизм, которым железная улитка синтезирует пирит и грейгит. Она делает это при температуре 15-20 градусов по Цельсию. В воде. Без всякого оборудования.
Сейчас, чтобы синтезировать те же наноматериалы промышленно, нужно 315 градусов, высокое давление, токсичные растворители, дорогущее оборудование и недели работы. Улитка производит это за часы в обычной воде, используя механизм транспорта серы через органические канальцы в чешуях.
Если этот процесс воспроизвести в промышленном масштабе, производственные затраты могут снизиться в 50 (!) раз. Мировой рынок наноматериалов - это десятки миллиардов долларов в год. Можете представить, какие деньги крутятся вокруг этой крошечной улитки.
Что показал анализ генома
Результаты поразили научное сообщество. Только 11% генов уникальны у железной улитки. Остальные 89% - это переиспользованные древние гены, которые существовали у общих предков моллюсков больше 540 миллионов лет назад.
Получается, природа не изобрела новый механизм построения железной брони. Она взяла древний набор инструментов для создания обычных раковин и переключила их на другие органы. Гены, которые обычно работают в мантии (где формируется раковина), начали экспрессироваться в ноге - и выросли железные чешуйки. Один и тот же генетический арсенал применен в разных местах.