As mandíbulas dos gafanhotos do deserto se afiam, descobre o cientista de materiais
Gafanhoto do deserto (Schistocerca gregaria) botando ovos durante o surto de gafanhotos de 1994 na Mauritânia. Crédito:Christiaan Kooyman, Wikimedia Commons, CC0 Os tubarões perdem dentes durante toda a vida, substituindo-os numa espécie de Rolodex giratório sem fim, enquanto os humanos, é claro, recebem apenas os nossos dois conjuntos. Os dentes dos castores, notoriamente, crescem durante toda a vida e precisam ser desgastados para evitar lesões.
Nova pesquisa aparecendo em Interface Focus colocou agora outro animal no conjunto autoafiável, Schistocerca gregaria, o gafanhoto do deserto.
Ulrike G. K. Wegst, professora associada de física na Northeastern University, descobriu que os exoesqueletos dos gafanhotos acumulam concentrações de zinco em suas mandíbulas, o que endurece suas "aparelhos bucais em forma de pá" - de acordo com a pesquisa - em relação à cutícula circundante.
O exoesqueleto de um gafanhoto é composto de quitina, um material fibroso não muito diferente da celulose encontrada nas plantas e comum tanto aos insetos quanto à vida marinha, como os crustáceos.
A quitina de um animal varia dependendo do uso. Em algumas partes do corpo necessita de flexibilidade – por exemplo, em torno das mandíbulas que precisam de abrir e fechar – e noutras necessita de uma dureza significativa.
Conduzida em colaboração com o biólogo Oliver Betz, da Universidade de Tübingen, e Peter Cloetens, do Síncrotron Europeu, a pesquisa examinou como as partes das mandíbulas dos gafanhotos endurecidas com zinco se afiam à medida que são usadas.
As mandíbulas dos gafanhotos não são diferentes das mandíbulas humanas, pois um conjunto se sobrepõe ligeiramente ao outro, embora os gafanhotos abram e fechem horizontalmente.
À medida que as duas metades passam uma pela outra, as bordas endurecidas se afiam. Vídeo S1 de gafanhotos do deserto (Schistocerca gregaria) alimentados com mandíbulas autoafiáveis, semelhantes a tesouras. Crédito:Foco na interface (2024). DOI:10.1098/rsfs.2023.0069 Wegst, especializado em ciência dos materiais, identificou um pronunciado revestimento de "borda de zinco" ao longo das mandíbulas através do uso de um síncrotron - uma espécie de acelerador de partículas - que empregava "raios X de energia monocromática".
O benefício da luz síncrotron reside em sua intensidade:"Podemos reduzir o espectro a uma energia muito estreita. Na verdade, podemos torná-lo monocromático", diz Wegst, "para que ainda possa ter energia suficiente para obter imagens, mas também posso posicionar exatamente esta energia."
Os materiais absorvem os raios X de forma diferenciada e, graças à estreiteza do feixe do síncrotron, os pesquisadores poderiam empregar um processo de imagem subtrativa para "medir a quantidade de zinco por um lado", diz Wegs, e "ver mais facilmente como ele é distribuído". em três dimensões."
Ao construir um modelo tridimensional das mandíbulas dos gafanhotos, Wegst pôde então identificar como as bordas mais duras das mandíbulas dos gafanhotos cortam a quitina mais macia ao seu redor quando usadas, mantendo assim uma borda mais afiada.
“O que estou tentando obter aqui com minha tecnologia de ponta é uma alta dureza” que possa resistir a materiais lenhosos altamente abrasivos, diz Wegst. Para "garantir que as arestas de corte permaneçam afiadas o maior tempo possível", continua ela, pode ser "conseguido esfregando uma dessas arestas na outra. Portanto, cada vez que corta algo, também está se afiando".
Mas o desgaste é inevitável, apesar deste “mecanismo muito inteligente”, como Wegst o chama. Eventualmente, a borda se desgastará - mas, observa Wegst, o gafanhoto perde regularmente seu exoesqueleto, regenerando sua casca externa quitinosa e o aparelho bucal duro e enriquecido com zinco.
Imagine usar uma faca cega em vez de uma afiada, afirma Wegst. “Custa mais energia para cortar, então para um animal que precisa comer e preservar energia, um mecanismo de corte eficiente é na verdade uma estratégia para sobreviver. Se eu tiver ferramentas de corte rombas – e vou receber minha nova faca em seis semanas – Posso estar morrendo de fome no meio disso."
“O animal que possui o mecanismo de autoafiação tem uma vantagem”, continua ela, “mas também é caro” para o gafanhoto consumir tanto zinco quanto necessita e distribuí-lo pelas regiões adequadas do exoesqueleto. “É um equilíbrio que o organismo parece estar conseguindo”, mantendo uma distribuição eficiente “apenas nas áreas onde [o zinco] é mais necessário”.
Como o zinco chega às mandíbulas e como os gafanhotos o consomem em quantidade suficiente permanecem questões em aberto para pesquisas futuras.
Embora possam estar por aí, Wegst diz que “ainda não vimos outra espécie… onde tenhamos um arranjo semelhante de arestas de corte umas em relação às outras”.
Mas Wegst também prevê ideias de design biomimético decorrentes desta pesquisa. Mas isso não significa criar cópias individuais. Em vez disso, “biomimética”, diz ela, implica “compreender os princípios de funcionamento”.
O simples princípio de colocar “recursos em áreas específicas para tornar algo tolerante aos danos, resiliente e de longa duração”, diz Wegst, “enquanto a minha estrutura precisar de sobreviver”, proporciona muito com que aprender.
