拥有世界上最坚硬的壳体,或为军用装甲提供借鉴——鳞角腹足蜗牛

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世界上蜗牛大约有22,000种。它们大多都属于腹足纲。肺螺亚纲(Pulmonata),少数属于前鳃亚纲。蜗牛取食腐烂植物质,产卵于土中。蜗牛的分布比较广泛,在热带岛屿(如古巴)最常见,但也见于寒冷地区(冬天蛰伏)。树栖种类的色泽鲜艳,而地栖的通常单色。非洲的玛瑙螺属(Achatina)体型最大,多超过25公分。有一种蜗牛尤为特殊,它的壳体含有硫化铁纳米颗粒,呈现出特有的黑色金属光泽。而且异常坚固,甚至子弹都打不穿,它就是鳞角腹足蜗牛。

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鳞角腹足蜗牛于2001年在印度洋海面以下两千多米的海底被首次发现。目前已发现的鳞角腹足蜗牛有两种。在Kairei区(位于西南印度洋脊)生活的是黑色含铁量丰富,那里的蜗牛壳体带有磁性;在Solitaire区(位于中印度洋脊),这里的蜗牛缺铁,呈白色,没有磁性。

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尽管早在十多年前科学家就发现了鳞角腹足蜗牛,但直到2015年,研究者才正式发表了对该物种的生物学描述,并确定其学名为Chrysomallon squamiferum。其中属名"Chrysomallon"来源于古希腊语,意思是"金色毛发",因为它们螺壳中的二硫化亚铁呈现金色;种名"squamiferum"来源于拉丁语,意思是"长有鳞片的"。

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鳞角腹足蜗牛的头部长有两根光滑的、逐渐变细的触角。它们没有眼睛,也没有特化的交接器。它们的腹足呈红色,体积较大,无法完全缩回螺壳。此外,它们也不像其他蜗牛和蛞蝓一样具有上足腺(Suprapedal gland),也没有上足触手。

鳞角腹足蜗牛的外壳上覆盖的主要是二硫化铁和有磁性的硫复铁矿。这些金属来自富含矿物的喷孔。外壳给蜗牛形成了一个天然的盔甲躲避捕食者,不但能自卫还能给攻击自己的敌人的爪造成损害。

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研究发现鳞角腹足蜗牛的腹足布满含铁的鳞片,并且拥有不寻常的三层富含铁的壳,第一层250微米厚的文石层(CaCo3)(文石是一种常见的壳类材料),这层文石结构包裹在另外一层150微米厚的糊状有机层,有机层还具有散热的功能,而糊状有机层的外面就是蜗牛的硬薄外层(大约有30微米厚)。

这些强度超乎寻常的壳是怎样生长的呢?研究发现鳞角腹足蜗牛的壳并非自身生长就具有这么高的强度,而是后天在生活环境中不断矿化造成的结果。当然这种矿化过程与鳞角腹足蜗牛的独特生理结构有关。

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生物矿化过程在自然界中普遍存在,软体动物通过生物矿化产生硬组织用作骨骼支撑和其他作用。这些硬组织通常存在于牙齿和骨骼中。

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科学家将缺铁的白色鳞角腹足蜗牛鳞片放置在深海黑烟热液喷口黑色鳞角腹足蜗牛栖息地。但是白色鳞角腹足蜗牛的鳞片没有被硫化铁生物矿化,其铁原子含量也没有超过EDS分析的析晶限度。说明矿化过程与鳞角腹足蜗牛生理活动相关。

鳞角腹足蜗牛鳞片中组成硫化物矿物的铁原子可能有两个来源:蜗牛的身体组织或周围的海水。为了进一步了解蜗牛利用的来源,科学家利用stem /EDS研究了黑鞘足部分泌上皮和新形成的鳞片之间的界面。电子能谱图清楚地显示,新分泌的壳体含有硫,但不含铁。鳞角腹足蜗牛组织中的硫含量很低,并且含有可检测到的硫。如果硫化铁纳米颗粒中的铁原子来自于蜗牛的身体,那么铁在表层和新形成的鳞片周围的堆积应该是可以观察到的。因此,铁原子不是来自蜗牛的身体,而是来自周围的海水。鳞片分泌组织中硫的消耗和鳞片新形成部分中硫的富集表明,硫化铁纳米颗粒中的硫是由动物提供的,并在鳞片形成时沉积在鳞片中。

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在皮下上皮分泌鳞片的过程中,构建了硫扩散通道样的孔径,然后填充有机基质,从而促进硫离子扩散。鳞屑通过增加主要由有机基质组成的层而增长,硫离子以及来自鞘足体液循环的未知氧化剂向柱状扩散。铁离子从水垢的外表面向内扩散,并与柱体中的硫离子发生反应,形成硫化铁。硫化铁晶体的生长受柱状有机基质的调控以产生纳米粒子,而纳米粒子聚集的大小主要受柱状结构的直径限制。共存的硫化物可能导致硫化铁和硫化物离子的化学转化,然后被困在沟道壁上形成富硫区域。由于在其他条件保持不变的情况下,表面周围的铁离子集中增加,一种富铁矿物[即铁离子]。在靠近鳞片表面的地方容易形成灰晶(Fe3S4),从而形成之前观察到的3种不同化学种类的硫铁。

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虽然目前对鳞角腹足蜗牛壳体的形成已经做了很多研究并得到了一些壳体形成过程的一些证据 ,但鳞角腹足蜗牛如何控制这一过程至今仍然是一个谜。关于鳞角腹足蜗牛如何被注入硫化铁纳米颗粒目前推测分为三个过程,包括一个非生物过程和两个生物矿化过程。首先,非生物形成的纳米颗粒可能被纳入到这些颗粒中,因为矿物纳米颗粒是由热液喷口本身作为高温流动反应器产生的,其流体温度为315℃;这些纳米颗粒随后可能会找到进入这个尺度的途径——例如,在分泌过程中反应结合在一起。其次,氧化硫细菌在热液喷口周围大量存在,也经常出现在动物的表面上;这种细菌可能使硫代硫化铁发生生物矿化,随后这些硫代硫化铁被合并到鳞角腹足蜗牛鳞片中。第三,无论是在鳞片中还是在鳞片下分泌的外皮层中,鳞片足蜗牛确实可能通过自身的生物转化或生物控制硫铁质的矿化。

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鳞角腹足蜗牛壳体的矿化的机制适用于低温和动态环境。虽然这一过程是由鳞角腹足蜗牛自身介导的,但一些实验证明,通过这种机制形成硫化铁纳米材料不需要活的动物参与,只要化学和物理框架(即:例如,鳞片被富硫区域浸透)。这大大提高了它在未来工业过程中应用的实用性,而不仅仅局限于铁纳米颗粒。

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深海有机物中不同寻常材料的生物矿化为功能材料的低能量制造提供了借鉴的灵感。现在美国军方目前正在针对这种蜗牛的奇特外壳构造开发一种新的军用装甲。或许不久的将来仿生鳞角腹足蜗牛的军用装备或其他材料就会出现在现实中。


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