Большая охота
И первые позвоночные, и иглокожие, и практически все другие скелетные организмы (моллюски, брахиоподы, членистоногие, кораллы, губки) обрели минеральный скелет по геологическим меркам единовременно — за какие-то 35 миллионов лет. Можно было бы связать всеобщую ске-летизацию с очередным изменением состава океанических вод, но подобные события происходили и до, и после, не особенно влияя на количество скелетных организмов. Да и невозможно объяснить какими-либо внешними причинами единовременное появление скелетов и наружных, и внутренних, и известковых, и фосфатных, а если добавить губок — то и кремневых.
Но в природе ничего случайно не происходит. До сих пор мы обращали внимание на состав скелета. А в чем его предназначение? Самое простое объяснение: изначально скелет был свалкой лишних ионов, от которых сложно было совсем избавиться, удалив во внешнюю среду. Да и про запас их можно было вполне оставить: дополнительные ионы кальция и фосфата время от времени требуются для различных нужд организма. К тому же с помощью скелетных отложений можно избавиться от неприятных инородных тел — в результате такого процесса в раковинах дву-створок появляются жемчужины — слоистые оболочки из арагонитовых пластинок.
Конечно, не в последнюю очередь скелет — это опорная конструкция, на которой крепятся мышцы. Не будь такой внутренней или внешней опоры, многие организмы (позвоночные, членистоногие, улитки, морские ежи, которые ходят на иглах) не смогли бы двинуться с места. Опора нужна и тем из них, кто всю жизнь, наоборот, сидит на одном месте: благодаря скелету кораллы выдерживают шторма, а губки приподнимаются над поверхностью морского дна, чтобы перепад давления в водяном столбе вызвал восходящие течения в организме, необходимые для их питания. «А еще я им ем», — можно было бы перефразировать высказывание одного из анекдотических персонажей. Ведь зубы и челюсти позвоночных, клешни и прочие «ногоконечности» ракообразных, радула хитонов и других моллюсков, ажурный, но очень прочный жевательный аппарат морских ежей (аристотелев фонарь) — это тоже скелет. Без таких важных скелетных частей ротового аппарата пищу не добыть и не измельчить.
Скелет помогает видеть, хотя и не всем. Магнезиаль-нокальцитовые линзы в сложных глазах давно вымерших членистоногих — трилобитов — и современных морских звезд и змеехвосток благодаря высокой чистоте и форме уменьшают искажения и рассеивание. У рыб и некоторых бесчелюстных позвоночных часть скелета — жаберные дуги — это еще и элементы дыхательной системы. Костные выросты черепа — рога и воротники — динозавры, вероятно, использовали для демонстрации во время брачных игр, так же как ныне используют бивни хоботные. Костные пластины, протянувшиеся вдоль хребта стегозавра, возможно, служили для отвода тепла, охлаждая кровь этих гигантов. Нанокристаллы магнетита позволяют тунцам, морским черепахам, китам, голубям и пчелам ориентироваться в пространстве, используя естественную карту магнитного поля Земли. А отолиты — известковые микростяжения, расположенные в органах равновесия у рыб, — помогают им определить, где верх и низ в водной тоще.
И конечно, скелет — это надежная защита. Не случайно выражения «спрятаться в раковину» или «вжаться в панцирь» означают «найти укрытие». Любая часть скелета, скажем пластинка хитона или чешуя рыбы, — это многослойный, то есть многоуровневый, элемент защиты. Благодаря различному взаимному расположению, а иногда и минералогическому составу микрокристаллов в такой пластинке, как показали исследования биохимиков Кристин Ортиз и Мэри Бойс из Массачусетского технологического института, образуются микрослои, одни из которых устойчивы к сдавливанию, другие — к скручиванию, третьи — на излом. Самый внешний слой обычно еще противостоит растворению. Каждый отдельный микрокристалл одет в органическую оболочку, а расположены микрокристаллы спиральными столбиками. И все это усиливает скелет. Но и сам микрокристалл — это не единое целое, а конструкция из мириад наноразмерных кристаллитов. Такие наногранулы тоже имеют свои органические оболочки, которые позволяют им вращаться или раздвигаться. Благодаря высокой пластичности кости и раковины и оказываются такими прочными: сила нажима или удара гасится органическими оболочками и обратимым смещением пластин и наногранул, а развитие трещин тормозится. Например, арагонитовый перламутр оказывается в тысячу раз прочнее и в десять раз тверже, чем природные кристаллы арагонита.
Такие качества существенно помогают экономить на толщине скелета: ведь увеличение массы скелета в два раза, согласно расчетам зоолога Ричарда Палмера из Университета Альберты, ведет к троекратному повышению затрат на его перемещение (скелет дома не оставишь). Некоторые стеклянные губки, чтобы закрепиться на дне, создают спикулы до метра длиной и притом всего миллиметр в диаметре. Благодаря многочисленным органическим прослойкам такое стеклянное волокно можно свернуть кольцом, и оно не порвется. Основа прочности биокомпозитов в их многоуровневом — иерархическом — строении, благодаря которому каждая степень защиты не просто дублируется, а дублируется тысячекратно. Вот где скрываются подлинные нанотехнологии!
Благодаря деятельности бактериальных сообществ, населявших Землю миллиарды лет назад, человечество оказалось обеспечено железной рудой. Этот период в истории планеты называется сидерий — буквально: «железный век». Теперь люди хотят приспособить мельчайших существ к созданию высокотехнологичных материалов. Один из видов пресноводных бактерий—Magnetospirillum magneticum — выделяет микрокристаллы магнитного железняка и поглощает ионы железа, а затем использует их для ориентации в магнитном поле Земли, как компас. Группа биохимика Сары Стэйнайленд из Университета Лидса и Токийского университета сельского хозяйства и технологии смогла «приручить» подобных бактерий. Им удалось получить наночастицы магнетита на основе бактериального белка, контролирующего минерализацию при комнатной температуре. Белок выполнял в опытах двойную функцию — контролировал образование частиц определенного размера и формы, а также их укладку на поверхности закономерным образом. Разглядывая совершенные биокомпозиты (а они еще и удивительно красивы: перламутр ведь используется в дорогих ювелирных украшениях), ученые пытаются хоть отчасти воссоздать их качества в искусственной керамике и полимерах. И тогда, чтобы защититься от порезов, достаточно будет нанести на пальцы тончайшее, практически невидимое покрытие из органокристаллических чешуек; дантисты и производители зубных паст станут безработными, от пули спасет бронежилет весом в несколько граммов, а бесполезная масса космических ракет, в отличие от их полезной массы, сократится в разы. Да и в починку в случае чего биокомпозит нести не нужно: сам восстановится.
Но почему все эти минеральные изыски понадобились животным именно в начале кембрийского периода? Ответ достаточно прост: в океане появились макрофаги — крупные хищники. И если первые раковинки, скажем, моллюсков состояли всего из двух-трех разных по микроструктуре слоев, то к концу следующего, ордовикского, периода таких слоев насчитывалось до пяти-семи. Но и хищники не отставали: их зубы и клешни тоже становились прочнее и совершеннее. И если жертвы довольствовались известковой или кремневой защитой, выдерживающей давление 1–5 тысяч атмосфер (тоже немало), хищники взламывали ее фосфатными орудиями, достаточно жесткими, чтобы не сломаться и при 600 миллионах атмосфер! Даже зубы жвачных животных — это орудие нападения, от которого травы пытаются защищаться с помощью кремневых фитолитов.
