擁有世界上最堅硬的殼體,或為軍用裝甲提供借鑑——鱗角腹足蝸牛

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世界上蝸牛大約有22,000種。它們大多都屬於腹足綱。肺螺亞綱(Pulmonata),少數屬於前鰓亞綱。蝸牛取食腐爛植物質,產卵於土中。蝸牛的分佈比較廣泛,在熱帶島嶼(如古巴)最常見,但也見於寒冷地區(冬天蟄伏)。樹棲種類的色澤鮮豔,而地棲的通常單色。非洲的瑪瑙螺屬(Achatina)體型最大,多超過25公分。有一種蝸牛尤為特殊,它的殼體含有硫化鐵納米顆粒,呈現出特有的黑色金屬光澤。而且異常堅固,甚至子彈都打不穿,它就是鱗角腹足蝸牛。

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鱗角腹足蝸牛於2001年在印度洋海面以下兩千多米的海底被首次發現。目前已發現的鱗角腹足蝸牛有兩種。在Kairei區(位於西南印度洋脊)生活的是黑色含鐵量豐富,那裡的蝸牛殼體帶有磁性;在Solitaire區(位於中印度洋脊),這裡的蝸牛缺鐵,呈白色,沒有磁性。

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儘管早在十多年前科學家就發現了鱗角腹足蝸牛,但直到2015年,研究者才正式發表了對該物種的生物學描述,並確定其學名為Chrysomallon squamiferum。其中屬名"Chrysomallon"來源於古希臘語,意思是"金色毛髮",因為它們螺殼中的二硫化亞鐵呈現金色;種名"squamiferum"來源於拉丁語,意思是"長有鱗片的"。

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鱗角腹足蝸牛的頭部長有兩根光滑的、逐漸變細的觸角。它們沒有眼睛,也沒有特化的交接器。它們的腹足呈紅色,體積較大,無法完全縮回螺殼。此外,它們也不像其他蝸牛和蛞蝓一樣具有上足腺(Suprapedal gland),也沒有上足觸手。

鱗角腹足蝸牛的外殼上覆蓋的主要是二硫化鐵和有磁性的硫復鐵礦。這些金屬來自富含礦物的噴孔。外殼給蝸牛形成了一個天然的盔甲躲避捕食者,不但能自衛還能給攻擊自己的敵人的爪造成損害。

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研究發現鱗角腹足蝸牛的腹足佈滿含鐵的鱗片,並且擁有不尋常的三層富含鐵的殼,第一層250微米厚的文石層(CaCo3)(文石是一種常見的殼類材料),這層文石結構包裹在另外一層150微米厚的糊狀有機層,有機層還具有散熱的功能,而糊狀有機層的外面就是蝸牛的硬薄外層(大約有30微米厚)。

這些強度超乎尋常的殼是怎樣生長的呢?研究發現鱗角腹足蝸牛的殼並非自身生長就具有這麼高的強度,而是後天在生活環境中不斷礦化造成的結果。當然這種礦化過程與鱗角腹足蝸牛的獨特生理結構有關。

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生物礦化過程在自然界中普遍存在,軟體動物通過生物礦化產生硬組織用作骨骼支撐和其他作用。這些硬組織通常存在於牙齒和骨骼中。

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科學家將缺鐵的白色鱗角腹足蝸牛鱗片放置在深海黑煙熱液噴口黑色鱗角腹足蝸牛棲息地。但是白色鱗角腹足蝸牛的鱗片沒有被硫化鐵生物礦化,其鐵原子含量也沒有超過EDS分析的析晶限度。說明礦化過程與鱗角腹足蝸牛生理活動相關。

鱗角腹足蝸牛鱗片中組成硫化物礦物的鐵原子可能有兩個來源:蝸牛的身體組織或周圍的海水。為了進一步瞭解蝸牛利用的來源,科學家利用stem /EDS研究了黑鞘足部分泌上皮和新形成的鱗片之間的界面。電子能譜圖清楚地顯示,新分泌的殼體含有硫,但不含鐵。鱗角腹足蝸牛組織中的硫含量很低,並且含有可檢測到的硫。如果硫化鐵納米顆粒中的鐵原子來自於蝸牛的身體,那麼鐵在表層和新形成的鱗片周圍的堆積應該是可以觀察到的。因此,鐵原子不是來自蝸牛的身體,而是來自周圍的海水。鱗片分泌組織中硫的消耗和鱗片新形成部分中硫的富集表明,硫化鐵納米顆粒中的硫是由動物提供的,並在鱗片形成時沉積在鱗片中。

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在皮下上皮分泌鱗片的過程中,構建了硫擴散通道樣的孔徑,然後填充有機基質,從而促進硫離子擴散。鱗屑通過增加主要由有機基質組成的層而增長,硫離子以及來自鞘足體液循環的未知氧化劑向柱狀擴散。鐵離子從水垢的外表面向內擴散,並與柱體中的硫離子發生反應,形成硫化鐵。硫化鐵晶體的生長受柱狀有機基質的調控以產生納米粒子,而納米粒子聚集的大小主要受柱狀結構的直徑限制。共存的硫化物可能導致硫化鐵和硫化物離子的化學轉化,然後被困在溝道壁上形成富硫區域。由於在其他條件保持不變的情況下,表面周圍的鐵離子集中增加,一種富鐵礦物[即鐵離子]。在靠近鱗片表面的地方容易形成灰晶(Fe3S4),從而形成之前觀察到的3種不同化學種類的硫鐵。

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雖然目前對鱗角腹足蝸牛殼體的形成已經做了很多研究並得到了一些殼體形成過程的一些證據 ,但鱗角腹足蝸牛如何控制這一過程至今仍然是一個謎。關於鱗角腹足蝸牛如何被注入硫化鐵納米顆粒目前推測分為三個過程,包括一個非生物過程和兩個生物礦化過程。首先,非生物形成的納米顆粒可能被納入到這些顆粒中,因為礦物納米顆粒是由熱液噴口本身作為高溫流動反應器產生的,其流體溫度為315℃;這些納米顆粒隨後可能會找到進入這個尺度的途徑——例如,在分泌過程中反應結合在一起。其次,氧化硫細菌在熱液噴口周圍大量存在,也經常出現在動物的表面上;這種細菌可能使硫代硫化鐵發生生物礦化,隨後這些硫代硫化鐵被合併到鱗角腹足蝸牛鱗片中。第三,無論是在鱗片中還是在鱗片下分泌的外皮層中,鱗片足蝸牛確實可能通過自身的生物轉化或生物控制硫鐵質的礦化。

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鱗角腹足蝸牛殼體的礦化的機制適用於低溫和動態環境。雖然這一過程是由鱗角腹足蝸牛自身介導的,但一些實驗證明,通過這種機制形成硫化鐵納米材料不需要活的動物參與,只要化學和物理框架(即:例如,鱗片被富硫區域浸透)。這大大提高了它在未來工業過程中應用的實用性,而不僅僅侷限於鐵納米顆粒。

擁有世界上最堅硬的殼體,或為軍用裝甲提供借鑑——鱗角腹足蝸牛


深海有機物中不同尋常材料的生物礦化為功能材料的低能量製造提供了借鑑的靈感。現在美國軍方目前正在針對這種蝸牛的奇特外殼構造開發一種新的軍用裝甲。或許不久的將來仿生鱗角腹足蝸牛的軍用裝備或其他材料就會出現在現實中。


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