金属优先分配假说揭示蝼蛄角质工具中过渡金属的分布模式与功能适应机制

本研究通过SEM-EDS、纳米压痕和CLSM技术，探究两种蝼蛄（Neoscapteriscus spp.）前足趾节、上颚和砂囊的过渡金属（Zn/Cu/Mn/Fe）分布规律，推翻“机械力决定金属分配”假说，提出“金属优先分配假说（MPH）”，揭示Zn因稳定配位能力成为角质强化首选金属，为昆虫材料进化提供新视角。

　　

在自然界中，昆虫通过角质层的特殊强化机制适应各种生存挑战，其中过渡金属（如Zn、Cu、Mn、Fe）与角质蛋白形成金属配位键（metal-ligand coordinated bonds），显著提升结构的硬度和弹性模量。然而，金属在不同功能结构中的分配规律及其驱动因素长期存在争议。传统观点认为机械力类型决定金属分布，但这一假说缺乏系统性验证。针对这一科学问题，Kent State University的Matthew S. Lehnert团队以两种生态习性迥异的蝼蛄（植食性Neoscapteriscus vicinus和肉食性N. borellii）为模型，开展了一项跨学科研究，成果发表于《Acta Biomaterialia》。

研究采用扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）定量测定角质元素组成，结合共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析硬化程度，并通过纳米压痕技术测量力学性能。样本来自1995-2022年佛罗里达州采集的标本，重点分析前足趾节（dactyls）、上颚（mandibles）和砂囊（proventriculus）三个功能结构。

3.1 材料与机械性能
CLSM显示两种蝼蛄的趾节远端和上颚切齿区呈现高硬化特征（红色荧光），而砂囊的齿状结构硬化程度最高。SEM-EDS揭示Zn在所有结构中占比最高（N. vicinus平均1.4% vs N. borellii 0.4%），且在砂囊中富集；N. vicinus的砂囊含Zn量是趾节的3倍，而N. borellii的趾节Zn含量显著高于其他结构。纳米压痕证实金属富集区硬度（251.9±21.3 MPa）和弹性模量（6.7±2.3 GPa）显著提升。

3.2 物种间金属分配模式
主成分分析（PCA）表明，N. vicinus优先将Zn分配至砂囊（PC1贡献率42.1%），Cu至上颚；而N. borellii趾节以Zn为主（PC1 54.2%），砂囊富集Cu。这种差异与食性相关：植食性N. vicinus需要更强砂囊研磨植物纤维，肉食性N. borellii则强化趾节以适应频繁掘土捕猎。

4. 讨论与金属优先分配假说（MPH）
研究提出MPH理论，认为金属分配遵循化学优先级：Zn²⁺因d¹⁰电子构型与组氨酸（histidine）形成稳定非氧化还原活性复合物，成为最优选择；Cu²⁺（d⁹构型）次之；Mn²⁺和Fe³⁺因氧化还原活性及配位不稳定性排序靠后。该理论解释了为何环境丰度最低的Zn在角质中占比最高，以及物种间金属分配差异——关键功能结构（如N. vicinus的砂囊）优先获取Zn。

这项研究首次系统验证了过渡金属分配与昆虫生态适应性的关联，为仿生材料设计提供新思路。例如，Zn-角质复合机制可应用于自修复材料开发。作者建议未来通过膳食金属剥夺实验进一步验证MPH，并扩展至其他昆虫类群比较进化规律。