Люди находят интригующими не только зубы и челюсти. Их причудливые формы и уникальный скелетный макияж привлекают внимание. В отличие от людей и большинства наземных животных, у акул вместо костей скелеты из минерализованных хрящей. Это позволяет им двигаться с невероятной скоростью по воде. Поскольку хрящ весит меньше кости и менее плотный, акулы могут сгибаться, плавать и маневрировать в океане совсем иначе, чем их костистые собратья.
Поскольку акулы различаются по размеру и форме, существует большое разнообразие их морфологии, физиологии и того, как они плавают. Например, обыкновенная акула-молотилка полагается на свой хвост, чтобы оглушить добычу во время кормления, а размер ее позвонков и их механика могут объяснить, почему она зависит от сильного и длинного хвоста, который действует как хлыст. Чтобы двигаться таким образом, требуется низкая жесткость и ударная вязкость или более низкая устойчивость к деформации и способность поглощать энергию соответственно.
Позвоночник акулы управляется динамическими и сложными взаимодействиями между составом и морфологией тканей, и есть много различий в росте, минерализации и механических свойствах.
Ученые из Научного колледжа Чарльза Э. Шмидта при Атлантическом университете Флориды и Национальной службы морского рыболовства Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) предсказали, что твердая центральная часть позвонков у зрелых, старых акул будет более жесткой. и жестче. Поэтому они решили проверить свою теорию.
Они изучили механику хрящей шести видов акул в биологически значимых условиях по всей длине их тела и в разных возрастных группах. Они смотрели на маленьких, детенышей (молодых) акул, неполовозрелых акул и взрослых акул каждого из шести различных видов: темная акула (Carcharhinus obscurusp); порбигль (Lamna nasus); и харизматичные акулы, такие как большая белая акула (Carcharodon carcharias); короткоперая мако (Isurus oxyrinchus) и обыкновенная акула-молотила (Alopias vulpinus).
Для исследования исследователи разделили тела акул на две области: переднюю (место прикрепления грудного плавника и начало первого спинного плавника) и заднюю (место начала второго спинного плавника и предхвостовую ямку). Они провели механические испытания, использовали метод визуализации, называемый рентгенографией, и оценили взаимосвязь между жесткостью и ударной вязкостью с помощью простой линейной регрессии.
Можно предположить, что, поскольку люди и многие животные имеют тенденцию становиться жестче и, возможно, жестче по мере взросления, то же самое справедливо и для акул. К своему удивлению и вопреки своей гипотезе, исследователи обнаружили обратное у этих быстро плавающих морских хищников.
Результаты исследования, опубликованные в Журнале экспериментальной биологии, показывают, что самые молодые акулы были жестче (способны сопротивляться сжатию) и выносливее (способны поглощать больше энергии), чем старые акулы. Исследователи предполагают, что хрящ молодых акул имеет меньше «прерываний» в минеральной матрице внутри хряща. Они также обнаружили, что хрящи были более жесткими и жесткими в позвонках, расположенных сзади (по направлению к задней части тела), что свидетельствует о том, что эта область тела лучше приспособлена к механическим нагрузкам, возникающим во время плавания..
Кроме того, хотя ученые исторически рассматривали чередующиеся модели минерализации на позвонках акул, чтобы определить их возраст, ключевой вывод этого исследования показывает, что эти модели не связаны со временем.
Наши результаты показывают, что жесткость и жесткость, которые имеют положительную корреляцию, могут работать совместно, чтобы поддерживать боковые волнообразные движения тела, которые акула двигает своим телом и хвостом из стороны в сторону, чтобы продвигаться вперед., обеспечивая при этом эффективную передачу и отдачу энергии у этих быстроплавающих высших хищников», - сказала Марианна Э. Портер, доктор философии, соавтор исследования, доцент кафедры биологических наук FAU и директор биомеханики. Лаборатория Научного колледжа Чарльза Э. Шмидта.
Портер работал с аспиранткой и первым автором исследования Даниэль И. Ингл; и Лиза Дж. Натансон, доктор философии, соавтор программы Apex Predators, Национальная служба морского рыболовства, NOAA.
«Эти сравнительные данные нашего исследования действительно подчеркивают важность лучшего понимания механики хрящевого скелета при самых разных условиях нагрузки, которые характерны для плавательного поведения, которое мы наблюдаем в дикой природе», - сказал Ингл.