หนอนทะเลสร้างขากรรไกรโลหะได้อย่างไร?

ฟันของสัตว์ส่วนใหญ่มักพึ่งแร่แคลเซียมเป็นโครงสร้างหลัก ไม่ว่าจะเป็นฟันมนุษย์ กระดูก หรือเปลือกแข็งของสัตว์ทะเล แต่หนอนทะเลกลุ่มหนึ่งกลับเลือกใช้วิธีที่ต่างออกไป มันสร้างขากรรไกรจากโปรตีน แล้วนำไอออนของโลหะเข้ามาช่วยเสริมความแข็งตรงบริเวณที่ต้องรับแรงมากที่สุด

วัสดุที่ได้ไม่ใช่เนื้อเยื่ออ่อนธรรมดา และไม่ใช่โลหะแข็งแบบที่นำไปหลอมเป็นเครื่องมือ นักวิจัยจึงเริ่มเรียกวัสดุลักษณะนี้ว่า “โลหะชีวภาพ” หรือไบโอเมทัล เพราะมันเกิดจากสิ่งมีชีวิต แต่แสดงพฤติกรรมทางกลบางอย่างคล้ายโลหะ

ตัวอย่างที่กำลังได้รับความสนใจคือหนอนทะเลมีขน Perinereis cultrifera ซึ่งเป็นสัตว์ในสายวิวัฒนาการเก่าแก่และยังพบได้ในธรรมชาติปัจจุบัน คำว่า “หนอนทะเลโบราณ” จึงไม่ได้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์เพิ่งขุดฟอสซิลที่ยังมีขากรรไกรสมบูรณ์ขึ้นมา แต่หมายถึงสัตว์ที่ยังรักษารูปแบบอวัยวะซึ่งวิวัฒนาการมานานมากเอาไว้

ภาพจาก asturnatura.com

หนอนชนิดนี้มีขากรรไกรขนาดเล็กอยู่บริเวณปาก ใช้จับ กัด ฉีก และบดอาหาร โครงสร้างหลักของขากรรไกรไม่ได้ทำจากกระดูกหรือผลึกแคลเซียม แต่เป็นโปรตีนโครงสร้างที่จับตัวร่วมกับไอออนของโลหะ

จุดสำคัญอยู่ที่โลหะไม่ได้กระจายเท่ากันทั้งชิ้น บริเวณปลายและขอบที่สัมผัสกับเหยื่อจะมีความเข้มข้นของโลหะสูงกว่าส่วนกลาง คล้ายกับการทำเครื่องมือที่เสริมเฉพาะคมตัดให้แข็ง ส่วนด้านในยังคงมีความเหนียวและรับแรงได้โดยไม่แตกง่าย

โลหะในปากหนอนไม่ใช่เศษโลหะที่ติดมาจากอาหาร

เมื่อได้ยินว่าขากรรไกรมีทองแดงหรือสังกะสี บางคนอาจนึกว่าหนอนกินโลหะเข้าไปแล้วปล่อยให้มันสะสมอยู่ในปาก ความจริงซับซ้อนกว่านั้นมาก

ร่างกายของหนอนรับธาตุโลหะจากสิ่งแวดล้อมและอาหารในรูปของไอออน จากนั้นจึงควบคุมให้มันไปจับกับโมเลกุลในเนื้อเยื่อเฉพาะตำแหน่ง กระบวนการนี้เกิดขึ้นในระดับเคมี ไม่ได้มีเม็ดทองแดงหรือเศษสังกะสีฝังอยู่ในขากรรไกรให้มองเห็นด้วยตาเปล่า

ในหนอนทะเลบางกลุ่ม สังกะสีจะจับกับกรดอะมิโนฮิสทิดีนซึ่งอยู่ในโปรตีนโครงสร้าง การจับกันนี้ช่วยเชื่อมสายโปรตีนให้เป็นเครือข่ายที่แน่นขึ้น บริเวณปลายขากรรไกรจึงแข็งและทนต่อการสึกได้มากกว่าส่วนอื่น

งานศึกษาหนอนเขียว Nereis aibuhitensis พบว่าสังกะสีสะสมสูงบริเวณปลายและด้านในของขากรรไกร โดยส่วนปลายมีสังกะสีมากกว่าส่วนโคนอย่างชัดเจน ตำแหน่งที่มีสังกะสีสูงก็มีค่าความแข็งสูงตามไปด้วย นักวิจัยยังพบโปรตีนที่มีฮิสทิดีนจำนวนมากตรงบริเวณเดียวกัน จึงเห็นภาพชัดขึ้นว่าสังกะสีถูกนำมาใช้เป็นตัวเชื่อมโครงสร้าง ไม่ได้เป็นเพียงสิ่งปนเปื้อนจากทะเล

ภาพจาก gbif.org

ส่วนหนอนเลือดในสกุล Glycera ใช้วิธีอีกแบบ ขากรรไกรของมันมีทองแดงทั้งในรูปที่จับอยู่กับโมเลกุลอินทรีย์และในรูปแร่ที่เรียกว่าอะทาคาไมต์ แร่ทองแดงชนิดนี้เรียงตัวอยู่ในเนื้อขากรรไกร ช่วยเพิ่มความแข็ง ความแข็งตึง และความทนต่อการเสียดสี

หนอนเลือดยังมีขากรรไกรกลวงเชื่อมกับต่อมพิษ เมื่อโจมตีเหยื่อมันจะยื่นส่วนปากออกมา กัดแล้วส่งพิษผ่านขากรรไกร การมีปลายที่แข็งและคงรูปจึงสำคัญมาก เพราะอวัยวะชิ้นเล็กนี้ต้องทำหน้าที่คล้ายทั้งเข็ม มีด และคีมในเวลาเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม การบอกว่าหนอนทะเลทุกชนิดมีขากรรไกรผสมทองแดงกับสังกะสีในสูตรเดียวกันอาจทำให้เข้าใจผิด หนอนมีขนแต่ละสายพันธุ์ใช้โลหะต่างชนิดและจัดวางไม่เหมือนกัน บางชนิดเด่นที่สังกะสี บางชนิดเด่นที่ทองแดง ขณะที่บางชนิดยังมีเหล็ก คลอรีน โบรมีน หรือไอโอดีนอยู่ในโครงสร้างร่วมด้วย

สิ่งที่เหมือนกันคือพวกมันไม่ได้สร้างขากรรไกรเป็นแท่งโลหะ แต่ใช้โลหะปริมาณไม่มากเข้าไปเปลี่ยนสมบัติของโปรตีนอย่างแม่นยำ

แข็งเหมือนโลหะ แต่ไม่ใช่โลหะธรรมดา

นักวิจัยตรวจสอบขากรรไกรของหนอนด้วยการกดหัวทดสอบขนาดเล็กลงบนผิววัสดุ วิธีนี้เรียกว่าการทดสอบความแข็งระดับนาโน สามารถวัดได้ว่าพื้นผิวยุบตัวมากแค่ไหนเมื่อได้รับแรง และคืนรูปได้อย่างไรหลังถอนแรงออก

ผลที่พบคือ เมื่อกดในระดับตื้นมาก ขากรรไกรดูแข็งกว่าตอนที่กดลึกลงไป พฤติกรรมเช่นนี้พบได้ในโลหะผลึกบางชนิดอย่างทองแดงและเงิน เพราะการเปลี่ยนรูปในพื้นที่เล็กมากถูกขัดขวางจากโครงสร้างภายในของวัสดุ

แต่ขากรรไกรหนอนไม่ได้เลียนแบบโลหะทุกอย่าง มันยังแสดงความยืดหยุ่นที่เปลี่ยนไปตามขนาดของพื้นที่ทดสอบ ซึ่งไม่ใช่ลักษณะปกติของทองแดงหรือเงินทั่วไป จุดนี้ทำให้นักวิจัยมองว่ามันอาจเป็นวัสดุอีกกลุ่มหนึ่งที่อยู่กึ่งกลางระหว่างเนื้อเยื่อชีวภาพกับโลหะ

คำว่าโลหะชีวภาพจึงไม่ได้หมายถึงธาตุชนิดใหม่ และไม่ได้แปลว่าหนอนผลิตทองแดงขึ้นมาจากร่างกาย แต่เป็นชื่อที่ใช้บรรยายวัสดุซึ่งมีโปรตีนกับไอออนโลหะทำงานร่วมกัน จนเกิดความแข็งและการตอบสนองต่อแรงในแบบที่วัสดุชีวภาพทั่วไปไม่มี

เหตุผลที่ขากรรไกรแบบนี้เหมาะกับสัตว์ตัวเล็กมาก เพราะหนอนไม่ต้องแบกอวัยวะหนักเหมือนฟันหรือเปลือกที่มีแร่จำนวนมาก มันใช้โครงโปรตีนเป็นหลัก แล้วเติมโลหะตรงจุดที่ต้องรับแรง วิธีนี้ช่วยประหยัดวัตถุดิบ แต่ยังได้ปลายขากรรไกรที่คม แข็ง และทนต่อการใช้งานซ้ำ

ขากรรไกรยังมีการไล่ระดับของสมบัติ ส่วนปลายแข็งเพื่อกัด ส่วนด้านในเหนียวกว่าเพื่อรองรับแรง หากแข็งเท่ากันทั้งหมด อวัยวะอาจเปราะและหักง่าย แต่หากอ่อนทั้งชิ้น ปลายก็จะสึกหรือบิดตัวเมื่อเจอกับอาหารแข็ง

จึงยังเร็วเกินไปที่จะบอกว่าหนอนเหล่านี้สามารถกัดทะลุเปลือกหอยทุกชนิดได้อย่างสบาย ความสามารถจริงขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ ขนาดของหนอน รูปทรงขากรรไกร และชนิดของเหยื่อ แต่โครงสร้างที่เสริมโลหะช่วยให้มันกัด ฉีก หรือบดอาหารแข็งได้ดีเกินกว่าที่คาดจากสัตว์ลำตัวนิ่มขนาดเล็ก

สิ่งที่นักวัสดุศาสตร์สนใจไม่ใช่การนำขากรรไกรหนอนมาใช้งานโดยตรง แต่เป็นวิธีที่ร่างกายสร้างมันขึ้นมา หนอนประกอบวัสดุในน้ำ ภายใต้อุณหภูมิปกติ ใช้โปรตีนเป็นโครง และควบคุมโลหะให้ไปอยู่ตรงตำแหน่งที่จำเป็น กระบวนการนี้ต่างจากอุตสาหกรรมโลหะที่ต้องใช้ความร้อนสูง แรงดัน หรือสารเคมีหลายขั้นตอน

ถ้าเข้าใจวิธีจับโลหะกับโปรตีนได้ละเอียดขึ้น แนวคิดเดียวกันอาจนำไปใช้พัฒนาวัสดุเคลือบผิว เครื่องมือขนาดเล็ก เส้นใยที่ทนการสึก หรือวัสดุทางการแพทย์ที่ต้องแข็งเฉพาะบางบริเวณแต่ยังยืดหยุ่นในส่วนอื่น

หนอนทะเลจึงไม่ได้มี “ฟันเหล็ก” แบบในภาพยนตร์ สิ่งที่มันมีน่าสนใจกว่านั้น คือขากรรไกรโปรตีนที่ร่างกายค่อยๆ เสริมด้วยโลหะจากธรรมชาติ จนได้วัสดุเบา แข็ง และจัดวางคุณสมบัติแต่ละส่วนอย่างละเอียดในระดับที่มนุษย์ยังทำเลียนแบบได้ไม่ง่าย