Los fuertes mordiscos de las arañas y otros animales pequeños y su relación con los metales pesados

Para poder agarrarse a un ciervo, las garrapatas primero tienen que atravesar su gruesa y peluda piel. Las hormigas podadoras cortan sin dificultad las duras hojas tropicales. Y, los escorpiones usan su cola para inyectar veneno a presas bastante más grandes que ellos.

Este tipo de maravillas naturales han intrigado durante muchos años al físico de la Universidad de Oregón (Estados Unidos) Robert Schofield. ¿Cómo pueden estas diminutas criaturas realizar acciones con tanta potencia en comparación con su tamaño?

La respuesta, según su nueva investigación publicada en Scientific Reports, radica en la misma estructura atómica de sus herramientas.

Los científicos ya sabían que las mandíbulas, colmillos y aguijones de varios invertebrados contenían grandes cantidades de metales pesados como zinc, cobre o manganeso. Pero no sabían qué relación tenían los metales con las proteínas más duras  que también se veían en partes del cuerpo de estos invertebrados.

Al analizar las proteínas y los metales pesados a nivel molecular, Schofield y sus compañeros descubrieron que átomos individuales de metales se entretejían con las proteínas para crear un material fuerte y duradero, creando elementos corporales blindados compuestos por biomateriales con elementos pesados.

"Es realmente curiosos que añadir estos metales cree unas herramientas más duraderas", dice Stephanie Crofts, una bióloga del College of the Holy Cross de Massachusetts (EE. UU.), que no participó en el proyecto. "Este estudio da un buen punto de vista de cómo ocurre esto a lo largo de un amplio espectro de organismos, que puede ser más común de lo que pensamos".

También es posible, añade Crofts, que estos biomateriales con elementos pesados puedan inspirar a los ingenieros a crear nuevos productos, como móviles más pequeños o aparatos médicos más robustos.

Mejor que los biominerales

Por supuesto, los animales han desarrollado otra manera de crear un material duro natural. Conocido como biomineralización, este proceso muy extendido en el mundo animal ocurre cuando la proteínas del cuerpo envuelven grandes cristales de mineral, como es el caso de los huesos y algunas conchas marinas. El hueso es una mezcla poderosa de mineral (sobre todo calcio y carbonato) y proteínas que le dan al esqueleto del animal la flexibilidad necesaria, estirándose y encogiéndose más allá de que lo que los materiales podrían hacer por sí mismos.

Pero la biomineralización tiene sus límites, sirva como ejemplo la fragilidad de las conchas marinas. "Crear algo afilado con biomineral sería como crear un cuchillo con un ladrillo", dice Schofield, que ha estado estudiando las mandíbulas y las garras de los invertebrados desde que una hormiga cruzó el su oficina a finales de los años 1980, la misma oficina en la que todavía trabaja.

Los biominerales no les sirven a muchos invertebrados porque necesitan partes de su cuerpos afiladas y robustas que puedan aguantar un uso continuado. Por ejemplo, un aguijón roto podría ser una sentencia de muerte para un escorpión. Por eso buscaron y encontraron otra solución, dice Schofield.

Una poderosa mezcla de metales y proteínas

Para su último estudio, Schofield y sus compañeros del Laboratorio Nacional de Pacífico Noroeste y la Universidad Oregon State (EE. UU.) examinaron partes de los cuerpos de hormigas, arañas, escorpiones, moluscos y un tipo de lombriz marina. El equipo creo sondas en miniatura para probar las propiedades biomecánicas de estas partes y poder hacer una disección átomo a átomo.

Encontraron que los metales pesados, como el zinc o el manganeso, se distribuían por todo el elemento corporal del invertebrado de manera regular, al contrario de lo que pasa con los huesos y otros biominerales. Esta estructura atómica permite al elemento corporal ser más afilado y soportar más desgaste que si las proteínas no tuvieran los metales.

Los biomateriales con elementos pesados tienen otro beneficio coste-ahorro: una hormiga usa un 60% de energía para cortar hojas que si no tuviera esta estructura atómica, según los cálculos del equipo.

Schofield todavía tiene muchas preguntas, como la duda de si estos materiales naturales duros evolucionaron a la vez o en momentos distintos a lo largo de los distintos grupos de invertebrados, desde crustáceos hasta ciempiés.  

Mientras tanto, el descubrimiento podría abrir la puerta a nuevas herramientas humanas, dice Crofts.

Por ejemplo, los ingenieros siempre están buscando mejores estrategias para crear objetos que sean pequeños pero que no se rompan con facilidad, como los smartphones o productos médicos transportables como bombas de insulina.

Hacer herramientas con la misma organización atómica de proteínas y metales pesados podría conducir a productos que sean ligeros, fuertes y resistentes para uso diario, dice Croft. En definitiva, he aquí un nuevo ejemplo de que la naturaleza sabe hacerlo mejor.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.