Биологи объяснили механические свойства яичной скорлупы

Биологи изучили наноструктуру и химический состав скорлупы куриных яиц и показали, как они влияют на ее механические свойства. Оказалось, что из-за наличия неоднородной системы наногранул в скорлупе, которая определяется концентрацией белка остеопонтина и меняется в процессе инкубации, скорлупу пробить изнутри легче, чем снаружи, в тот момент, когда птенец уже готов к вылуплению, пишут ученые в Science Advances.

Известно, что яичная скорлупа по мере взросления находящегося внутри нее эмбриона постепенно становится менее прочной, а также то, что пробить изнутри ее немного проще, чем снаружи. Это помогает скорлупе защищать развивающийся эмбрион от внешних опасностей, в то же время позволяя птенцу относительно легко вылупиться из яйца. Основной компонент скорлупы (около 95 процентов) — это неорганическая карбонатная фаза (как правило, кальцит), но помимо нее в скорлупе также присутствуют органические белковые элементы (в первую очередь на основе остеопонтина) с неоднородной структурой. Считается, что именно эта неоднородность определяет механические свойства скорлупы, однако точная связь состава оболочки, ее наноструктуры и механических свойств до настоящего дня оставалась неизученной.

Группа биологов из Канады, США, Германии и Испании под руководством Марка Макки (Marc D. McKee) из Университета Макгилл изучила, как именно в яичной скорлупе распределены органические и неорганические компоненты, какую структуру они образуют и как это отражается на механических свойствах оболочки. Для этого авторы работы исследовали скорлупу яйца домашней курицы (Gallus gallus) с помощью атомно-силовой и электронной микроскопии, а также рентгеновской томографии.

Оказалось, что определяет механические свойства скорлупы белковый компонент остепонтин. Он неравномерно распределен по скорлупе, что приводит к формированию в ней наногранул. Ученые обнаружили, что всего по толщине скорлупы можно выделить, как минимум, пять слоев с различным средним размером наноструктур — от 30 до 75 нанометров, и этот размер увеличивается от внешних слоев оболочки к внутренним.

Именно размер гранул определяет механические свойства оболочки яйца: ее твердость и модуль упругости, которые по толщине скорлупы могут отличаться более чем в два раза. Так, самыми твердыми (с твердостью более четырех гигапаскалей) оказались наружные слои скорлупы, а максимальный модуль упругости (65 гигапаскалей) — характерен для поверхностных слоев (как снаружи, так и изнутри), тогда как в сердцевине скорлупы он немного ниже.

Кроме того, ученые обнаружили, что в процессе развития эмбриона при инкубации размер гранул в скорлупе также меняется. За счет постепенного увеличения концентрации остеопонтина гранулы становятся все меньше, делая скорлупу менее прочной, так что к моменту вылупления птенец уже может самостоятельно пробить ее клювом изнутри. При этом, помимо механических свойств, остеопонтин меняет и растворимость кальцита в физиологической среде внутри яйца, таким образом минерал в процессе развития эмбриона становится источником кальция для скелета.

По словам ученых, аналогичная структура скорлупы с наногранулами различного размера (от 50 до 100 нанометров) характерна не только для куриных яиц, но и для яиц других птиц, в частности гуся (Anser anser) и цесарки (Numidia meleagris).

Авторы работы показали, что остеопонтин можно использовать и для управления механическими свойствами искусственных неорганических материалов на основе карбонатных минералов. Оказалось, что изменяя концентрацию остеопонтина в материале, можно управлять размером нем гранул: так, если чистый минерал кристаллизуется в единственную монокристаллическую фазу, то при увеличении концентрации образуется структура, содержащая микрогранулы разного размера.

Фрагменты скорлупы яиц часто становятся одним из важных объектов при археологических и палеонтологических исследованиях. Например, именно анализ окаменевшей скорлупы страусиных яиц возрастом 3,8 миллиона лет помог определить последовательность самых древних на данный момент пептидов. Кроме того, по найденным фрагментам скорлупы гениорниса удалось установить, что одной из причин его вымирания стали австралийские аборигены. А химический анализ скорлупы яиц динозавров палеонтологи используют для изучения древних рептилий, в частности именно с помощью него были получены данные о температуре их тела.

Александр Дубов