Біологи вивчили наноструктуру і хімічний склад шкаралупи курячих яєць і показали, як вони впливають на її механічні властивості. Виявилося, що через наявність неоднорідної системи наногранув у шкаралупі, яка визначається концентрацією білка остеопонтину і змінюється в процесі інкубації, шкаралупу пробити зсередини легше, ніж зовні, в той момент, коли пташеня вже готове до вилуплення, пишуть вчені в.
Відомо, що яєчна шкаралупа в міру дорослішання ембріона поступово стає менш міцною, а також те, що пробити зсередини її трохи простіше, ніж зовні. Це допомагає шкаралупі захищати ембріон від зовнішніх небезпек, в той же час дозволяючи пташеняті відносно легко вилупитися з яйця. Основний компонент шкаралупи (близько 95 відсотків) - це неорганічна карбонатна фаза (як правило, кальцит), але крім неї в шкаралупі також присутні органічні білкові елементи (в першу чергу на основі остеопонтину) з неоднорідною структурою. Вважається, що саме ця неоднорідність визначає механічні властивості шкаралупи, проте точний зв'язок складу оболонки, її наноструктури і механічних властивостей до теперішнього дня залишався невивченим.
Група біологів з Канади, США, Німеччини та Іспанії під керівництвом Марка Маккі (Marc D. McKee) з Університету Макгілл вивчила, як саме в яєчній шкаралупі розподілені органічні та неорганічні компоненти, яку структуру вони утворюють і як це відображається на механічних властивостях оболонки. Для цього автори роботи досліджували шкаралупу яйця домашньої курки () за допомогою атомно-силової та електронної мікроскопії, а також рентгенівської томографії.
Виявилося, що визначає механічні властивості шкаралупи білковий компонент остепонтин. Він нерівномірно розподілений по шкаралупі, що призводить до формування в ній наногранув. Вчені виявили, що всього за товщиною шкаралупи можна виділити, як мінімум, п'ять шарів з різним середнім розміром наноструктур - від 30 до 75 нанометрів, і цей розмір збільшується від зовнішніх шарів оболонки до внутрішніх.
Саме розмір гранул визначає механічні властивості оболонки яйця: її твердість і модуль пружності, які за товщиною шкаралупи можуть відрізнятися більш ніж удвічі. Так, найбільш твердими (з твердістю більше чотирьох гігапаскалей) виявилися зовнішні шари шкаралупи, а максимальний модуль пружності (65 гігапаскалів) - характерний для поверхневих шарів (як зовні, так і зсередини), тоді як в серцевині шкаралупи він трохи нижче.
Крім того, вчені виявили, що в процесі розвитку ембріона при інкубації розмір гранул у шкаралупі також змінюється. За рахунок поступового збільшення концентрації остеопонтину гранули стають все менше, роблячи шкаралупу менш міцною, так що до моменту вилуплення пташеня вже може самостійно пробити її дзьобом зсередини. При цьому, крім механічних властивостей, остеопонтин змінює і розчинність кальциту у фізіологічному середовищі всередині яйця, таким чином мінерал у процесі розвитку ембріона стає джерелом кальцію для скелета.
За словами вчених, аналогічна структура шкаралупи з наногранулами різного розміру (від 50 до 100 нанометрів) характерна не тільки для курячих яєць, але і для яєць інших птахів, зокрема гуся () і цесарки ().
Автори роботи показали, що остеопонтин можна використовувати і для управління механічними властивостями штучних неорганічних матеріалів на основі карбонатних мінералів. Виявилося, що змінюючи концентрацію остеопонтину в матеріалі, можна керувати розміром ньому гранул: так, якщо чистий мінерал кристалізується в єдину монокристалічну фазу, то при збільшенні концентрації утворюється структура, що містить мікрогранули різного розміру.
Фрагменти шкаралупи яєць часто стають одним з важливих об'єктів при археологічних і палеонтологічних дослідженнях. Наприклад, саме аналіз скам'янілої шкаралупи страусиних яєць віком 3,8 мільйона років допоміг визначити послідовність найдавніших на даний момент пептидів. Крім того, за знайденими фрагментами шкаралупи геніорніса вдалося встановити, що однією з причин його вимирання стали австралійські аборигени. А хімічний аналіз шкаралупи яєць динозаврів палеонтологи використовують для вивчення давніх рептилій, зокрема саме за допомогою нього були отримані дані про температуру їх тіла.