Pomohou nám mravenci se zachycováním CO2 z atmosféry a k novým stavebním materiálům?

mason_s
Autor: mason_s
licence: CC BY-NC 4.0

Vydechovaný CO2 jako zdroj na „výrobu“ brnění

Příběh tohoto objevu začíná v temných chodbách mravenišť. Mravenci Sericomyrmex amabilis patří do fascinující skupiny mravenců střihačů, kteří se neživí listy, ale houbami, jež si sami pěstují v podzemních zahradách. Tento životní styl s sebou nese specifický problém, hromadění oxidu uhličitého. V uzavřených prostorách, kde dýchají miliony dělnic a biomasa hub, dosahuje koncentrace CO₂ úrovní, které by byly pro většinu živočichů toxické. Namísto toho, aby se mravenci snažili plynu zbavit, naučili se ho využívat jako základní stavební kámen své obrany.

Pod mikroskopem se ukazuje, že jejich těla jsou pokryta souvislou vrstvou minerálních krystalů o tloušťce 7 až 20 mikrometrů. Tato vrstva, kterou vědci nazývají biomineralizovaným brněním, se tvoří během dospívání mravence a pokrývá téměř celé tělo.

Velmi zajímavým zjištěním této nové studie je původ uhlíku v tomto brnění. Pomocí pokročilých měření izotopů uhlíku (NanoSIMS a NMR spektroskopie) vědci prokázali, že mravenci nečerpají uhlík z potravy, ale přímo z okolního vzduchu. CO₂ se mění na hydrogenuhličitan a následně krystalizuje do podoby stabilního minerálu.

Klíčem k úspěchu bylo použití takzvaného těžkého uhlíku ¹³C. V běžné atmosféře je naprostá většina uhlíku tvořena izotopem ¹²C. Vědci tedy izolovali kolonii mravenců do hermeticky uzavřených komor, kde byla atmosféra uměle obohacena právě o izotop ¹³C. Důležité bylo, že mravenci dostávali potravu (houby), která byla vypěstována v „normální“ atmosféře s běžným uhlíkem ¹²C. Pokud by brnění bylo z potravy, obsahovalo by „lehký“ uhlík ¹²C. Pokud by brnění vznikalo ze vzduchu, muselo by obsahovat „těžký“ uhlík ¹³C

Po té, co mravenci strávili v této atmosféře několik dní (během kterých procházeli fází dospívání a vytvrzování krunýře), přišla na řadu metoda, která dokáže mapovat složení vzorku s přesností na nanometry. Vnější krystalická vrstva ukazovala uhlík ¹³C. Naproti tomu vnitřní chitinová schránka mravence, která vznikla z živin uložených v těle z dřívějška, vykazovala převážně běžný uhlík. To byl důkaz, že krystaly rostou přímo pohlcováním plynu z okolního prostředí.

Experiment šel ještě dál. Vědci sledovali, zda k této reakci dochází i na „mrtvém“ materiálu. Zjistili, že pokud mravence očistí od specifických proteinů na povrchu jejich těla, krystalizace se zastaví. To potvrdilo, že mravenci nejsou jen pasivními nosiči. .Jejich exteriér funguje jako aktivní biokatalytický povrch. Mravenci vylučují specifické molekuly- enzymy, které snižují energetickou bariéru potřebnou k tomu, aby se CO₂ navázal na hořčík a vápník přítomný v kapénkách vlhkosti na jejich těle.

Vyřešen probl0m s dolomitem

Složení mravenčího brnění možná přináší odpověď na jednu z velkých záhad geologie, známou jako „dolomitový problém“. Dolomit [CaMg(CO₃)_{2^{] je minerál, který se v laboratoři za běžných teplot a tlaků tvoří jen velmi obtížně a pomalu kvůli silné vazbě hořčíku na vodu. Mravenci Sericomyrmex amabilis však tento minerál vytvářejí rychle a efektivně.}}

Analýzy ukázaly, že jejich brnění obsahuje částečně uspořádaný dolomit s vysokým obsahem hořčíku. Je to vůbec poprvé, kdy byl takový typ biomineralizace objeven u suchozemského živočicha. Tato krystalická vrstva zvyšuje tvrdost mravenčí schránky více než dvojnásobně, přestože tvoří jen zlomek její tloušťky. Pro mravence je to klíčová evoluční výhoda. Tvrdší pancíř je lépe chrání před kusadly predátorů i před infekcemi parazitickými houbami, které by jinak mohly zdecimovat celou kolonii. To ovšem není všechno.

Mravenčí obrana a čistička vzduchu jako model pro lidstvo?

Jako pěstitelé hub žijí v hustě obydlených podzemních hnízdech, kde se hromadí CO₂ z dechu mravenců i z metabolismu jejich houbových zahrad. Koncentrace tohoto plynu v hlubokých chodbách mohou dosahovat úrovní, které jsou pro většinu hmyzu toxické. Přeměnou CO₂ na minerální brnění mravenci v podstatě „vysávají“ škodlivý plyn ze svého okolí a ukládají ho do bezpečné pevné formy.

Tento objev má potenciál pro současné snahy o nové materiály a o zmírnění klimatických změn.

Studie má svá ale. Pokud se nám však podaří pochopit mechanismy, které tito mravenci používají k překonání chemických bariér při tvorbě dolomitu, by mohlo vést k vývoji nejen nových biomimetických stavebních materiálů ale i nízkoenergetických technologií pro přímé zachycování uhlíku z atmosféry.

Mravenci Sericomyrmex amabilis nám tak ukazují, že i ten nejmenší tvor může v sobě nést klíč k řešení globálních problémů. Připomínají, že nejvyspělejší technologie na planetě často nepocházejí z laboratoří, ale z milionů let trvající evoluce. Tento malý hmyz nám ukazuje, že problém s CO₂ není neřešitelný – je to pouze otázka správné chemie a efektivity. Zdroj: Biorxiv.org - Carbon dioxide sequestration into biomineral armor by ants