Tìm ra bí mật tạo gai của nhím biển

Các nhà khoa học từng ghen tị với khả năng tạo gai từ các tinh thể lớn, đơn nhất của nhím biển. Giờ đây, họ đã tìm ra bí mật của loài động vật có gai này. Phát hiện có thể dẫn tới đột phá trong kỹ thuật trồng răng giả và ghép mô xương.

Mỗi chiếc gai của nhím biển được tạo thành từ một tinh thể calcite, một loại khoáng chất có thành phần chủ yếu là calcium carbonate, và có thể đạt được độ dài tới vài centimetre. Các tinh thể calcite tạo thành gai nhím là một cấu trúc phức tạp được bao bọc bởi những mặt cong nhẵn. Nó hoàn toàn khác với tinh thể calcite được tạo ra trong phòng thí nghiệm, vốn có dạng hình khối với 6 mặt phẳng, hay còn gọi là hình hộp mặt thoi.

Để tìm hiểu xem nhím biển "tạo khuôn" những tinh thể ngoại lai (lấy từ ngoài môi trường) đó như thế nào, các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học Weizmann (Rehovot, Israel) đã theo dõi xem điều gì sẽ xảy ra khi loài sinh vật này tái tạo lại các gai bị gãy. Gai của chúng được hình thành qua một quá trình gồm 2 giai đoạn và có sự tham gia của một chất trung gian không bền là amorphous calcium carbonate.

Nhím biển bọc hợp chất này trong một màng bao được tạo nên từ các tế bào sống trước khi hợp chất kết tinh. "Amorphous calcium carbonate không sắp xếp theo một trật tự nào cả, nó có thể tạo thành những hình dạng bất kỳ", trưởng nhóm nghiên cứu, Lia Addadi, giải thích. Khi đã sắp xếp thành hình dạng chính xác của một chiếc gai, hợp chất biến thành một tinh thể ổn định, mặc dù các chuyên gia không biết chính xác phản ứng đó xảy ra như thế nào.

Quá trình gồm 2 giai đoạn tạo khuôn và sắp xếp này giải thích tại sao nhím biển có thể phát triển những tinh thể lớn đến vậy, các nhà khoa học cho biết. Những tinh thể calcium carbonate mà các nhà nghiên cứu tạo ra trong phòng thí nghiệm được tạo thành trực tiếp từ dung dịch mà không có giai đoạn tham gia của chất trung gian amorphous calcium carbonate, do đó chúng chỉ có dạng hình hộp mặt thoi.

Nhiều loài động vật có thể đã sử dụng thủ thuật tương tự, nhóm chuyên gia cho biết. Người ta đã biết rằng ấu trùng của nhím biển sử dụng amorphous calcium carbonate trong quá trình phát triển. Việc nhím biển trưởng thành vẫn áp dụng kỹ năng này để phục hồi tổn thương ở gai cho thấy kỹ thuật đó có thể rất phổ biến ở các động vật biển khác như san hô và bọt biển.

Nhiều nhà khoa học vật liệu đã áp dụng kỹ thuật tạo khuôn để tạo ra các tinh thể đơn giản, mặc dù họ chưa theo kịp kỹ năng tạo sản phẩm cong và phức tạp của nhím biển. "Chúng ta có thể đúc nhiều vật liệu sinh học thành các hình dạng phức tạp nhờ chất trung gian amorphous", Laurie Gower, một chuyên gia về vật liệu sinh học tại Đại học Florida ở Gainesville, Mỹ, cho biết.

Calcium carbonate có thể được dùng để chế tạo răng giả hoặc mô xương. Nhưng nhiều ứng dụng sẽ trở nên khả thi nếu chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật của nhím biển với các loại vật liệu khác, Gower nhận định. "Mục đích thực sự của kỹ thuật mô phỏng sinh học là học cách bắt chước tự nhiên. Nếu bạn có thể tạo ra được một loại vật liệu bất kỳ và biết cách đúc hay tạo hình vật liệu đó theo ý muốn, bạn có thể kiểm soát nhiều hơn các đặc tính quang học, điện tử hoặc cơ khí của nó".