Микроструктура кожи геккона также убивает бактерии

Гекконы хорошо известны своей способностью прилипать практически ко всему – они даже могут ходить вверх ногами по полированному стеклу.Геккон, изображенный здесь, – это геккон токи (Gekko gecko). Он был выбран для иллюстрации статьи, поскольку является более фотогеничным, чем геккон с коробчатым узором (геккон Штайндахнера).

Только в этом тысячелетии был раскрыт секрет липкости геккона: его лапы покрыты чрезвычайно тонкими волосками, которые используют сверхкороткодействующие притягательные силы между атомами.^{1 2} Они не застревают, потому что волоски изогнуты и сохраняют энергию, как пружина.^{3 4}

Лапки геккона также самоочищаются⁵ и послужили вдохновением для создания совершенно нового типа самоочищающейся клейкой ленты.^{6 7} Эта конструкция была использована для создания клея из углеродных нанотрубок, который можно наносить на платы без сильного нагрева, необходимого для пайки.⁸

Репеллентная кожа

Недавно команда ученых из университетов Квинсленда, Австралия, включая мужа и жену – докторов Грегори и Иоланты Уотсон, проанализировали геккона Штайндахнера – Lucasium steindachneri. Они обнаружили столь же замечательную наноструктуру на коже геккона. Но вместо того, чтобы притягивать, она отталкивает.

Кожа этого животного покрыта крошечными куполообразными чешуйками диаметром около 250 микрон (мкм), расположенными в виде шестиугольника (1 мкм = 10⁻⁶ м). В свою очередь, эти чешуйки состоят из микроскопических шипиков («волосков») длиной от нескольких сотен до нескольких тысяч нанометров (нм, 10⁻⁹ м), а расстояние между ними составляет менее микрона. Эти волоски имеют чрезвычайно тонкий кончик, радиус кривизны которого составляет всего 10-20 нм. Между чешуйками кожа также покрыта «шипиками-волосками».⁹

Нано-кончики «волосков» означают, что частицы грязи имеют лишь крошечную поверхность для прилипания, поэтому кожа остается чистой. Волоски также отталкивают воду, делая кожу гидрофобной (с греческого – «водобоязнь»).

Крошечные куполообразные чешуйки важны еще и потому, что крошечные капельки воды скатываются вниз между ними. Гравитация и ветер заставляют эти капли скатываться еще сильнее, и в этом процессе чещуйки очищаются от грязи.¹⁰

«Гекковесценция»

Вышеописанные капли собираются вместе с поразительным эффектом. Капли удерживаются вместе благодаря поверхностному натяжению, или высокой энергии на единицу площади.

Когда две маленькие капли объединяются в одну большую, их поверхность резко уменьшается, а значит, резко уменьшается и общая поверхностная энергия. Но с тех пор, как Бог закончил творить после шестого дня (Бытие 2:1), энергия не может быть ни создана, ни уничтожена (Первый закон термодинамики). Поэтому она должна куда-то деваться – и она идет на то, чтобы отталкивать капли от поверхности. Этот процесс называется «гекковесценция».¹¹

Благодаря этому кожа геккона настолько водоотталкивающая, что ее называют «супергидрофобной». Она также отталкивает другие жидкости, такие как кофе, соевый соус, уксус, красное вино, молоко, кола и кровь.¹²

Антибактериальная кожа

Поскольку гекконы такие маленькие, у них большая площадь поверхности кожи по сравнению с их массой. Это было бы открытым приглашением для болезнетворных микробов, если бы не структура кожи, которая быстро убивает мягкостенные «грам-отрицательные» бактерии, которые зачастую наиболее опасные.

Некоторое представление о механизме может дать крыло цикады, убивающей микробов, которое имеет наностолбики гораздо меньшего размера, чем микробы. Работа группы, в которую входят Уотсоны, показывает, что микроб притягивается к поверхности, но клеточная стенка растягивается в промежутках между столбиками и в последствии лопается.^{13 14} Однако на человеческие клетки кожи это не действует.

Копирование дизайна

Сейчас ученые пытаются создать материалы, копирующие структуру кожи геккона. Для самоочищающейся водоотталкивающей ткани найдется множество применений, а ее антибактериальные свойства будут особенно полезны в больницах.

Кожа геккона не только антибактериальна, но и безопасна для человеческой кожи. А поскольку она безопасна для человеческих клеток, ее можно использовать для биосовместимых имплантатов, которые будут противостоять «суперинфекции»,¹⁵ а также в качестве поверхности для выращивания стволовых клеток человека.^{16 17}

Созданы или эволюционировали?

Копирование конструкций живых существ называется биомиметикой или биомимикрией. Эта область быстро развивается.¹⁸ Доктор Грегори Уотсон отметил, насколько это полезно:

«Природа уже придумала лучшие способы решения определенных проблем. Нам остается только догнать ее и понять, как заставить ее работать на нас. Моя философия всегда была такова: зачем изобретать колесо, если можно понять, как оно работает».

Конечно, «природа» не может ничего придумать. Это может сделать только интеллект. И если для создания копий требуется высокий интеллект, то насколько больше его потребуется для изобретения оригиналов?

В другой статье сообщается:

«Иоланта Уотсон полагает, что это явление могло развиться, чтобы предотвратить процветание влаголюбивых микробов на коже ящерицы, а также может работать как механизм самоочищения».¹⁹

Как мы часто видим в работах по биомиметике, в этом случае дань уважения без каких-либо фактов отдается эволюции. В действительности, это заявление о текущей функции, которая лучше объясняется дизайном. Не было ни малейшего предложения о том, как эта система развивалась путем случайных мутаций и естественного отбора на каждом этапе, не говоря уже о доказательствах.

Мы часто указывали на то, что объяснение функции или преимущества признака – это совсем не то же самое, что объяснение того, как он появился.²⁰