Морские губки, известные как цветочные корзины Венеры, остаются прикрепленными к морскому дну не чем иным, как набором тонких, похожих на волосы якорей, сделанных в основном из стекла. Это важная работа, и новые исследования показывают, что внутренняя структура этих якорей, известных как спикулы базалий, помогает им в этом.
Спикулы, каждая примерно в половину диаметра человеческого волоса, состоят из центрального кварцевого (стеклянного) ядра, заключенного в 25 тонких кварцевых цилиндров. В поперечном сечении расположение выглядит как кольца в стволе дерева. Новое исследование, проведенное исследователями из Инженерной школы Университета Брауна, показывает, что по сравнению с спикулами, взятыми у других видов губок, у которых отсутствует кольцевая архитектура, базальные спикулы способны изгибаться до 2 раз.4 раза дальше до разрыва.
«Мы сравнили два природных материала с очень похожим химическим составом, один из которых имеет такую сложную структуру, а другой - нет», - сказал Майкл Монн, аспирант Университета Брауна и первый автор исследования. «Хотя механические свойства спикул измерялись в прошлом, это первое исследование, которое выделяет влияние архитектуры на свойства спикул и количественно оценивает, как архитектура увеличивает способность спикул изгибаться перед тем, как сломаться».
Эта сгибаемость, вероятно, позволяет спикулам вплетаться в ил морского дна, обеспечивая надежное крепление губки. Исследователи говорят, что лучшее понимание того, как работает эта внутренняя архитектура спикул, может быть полезно при разработке новых искусственных материалов.
Исследование опубликовано в Журнале механического поведения биомедицинских материалов.
Когда соавтор исследования Ханиш Кесари, доцент Инженерной школы Брауна, впервые увидел внутреннюю архитектуру спикул базалий, он сразу же был заинтригован постоянством и регулярностью узора. «Это было похоже на цифру из учебника по математике», - сказал он.
С тех пор Кесари работает над тем, чтобы понять значение архитектуры. В 2015 году Кесари, Монн и несколько их коллег опубликовали анализ, показывающий, что расположение концентрических слоев спикул, толщина которых постепенно уменьшается от центра к краям, является математически оптимальным для максимизации прочности спикул.
Это последнее исследование является более прямой проверкой свойства, которое, по мнению исследователей, важно для якорей спикул: напряжение разрушения при изгибе, то есть степень, до которой что-то может сгибаться, не ломаясь.
«Интуитивно понятно, что спикулы были бы лучшими якорями, если бы они могли прокладывать себе путь сквозь ил», - сказал Монн.«Это сделало бы их намного труднее вытащить, чем если бы они были прямыми.
Для исследования исследователи использовали прибор, который они разработали специально для проверки того, насколько сильно могут изгибаться спикулы. Спикулы отложены поперек сцены с промежутком посередине. Затем на спикулу опускают небольшой клин, который загибает ее в щель. Камера сбоку устройства делает снимки, обеспечивая точные измерения того, насколько спикулы изгибаются, прежде чем они сломаются.
Монн и Кесари использовали устройство для тестирования как спикул базалий из цветочных корзин Венеры, так и спикул другого вида - оранжевой губки-дождевика. Два набора спикул имеют примерно одинаковый диаметр и практически идентичный состав кремнезема. Но у спикул-пуховиков отсутствует внутренняя архитектура цветочных корзин. Таким образом, любая разница в деформации на изгиб между ними может быть связана с архитектурой.
Эксперименты показали, что спикулы цветочной корзины могут сгибаться на 140 процентов больше, чем спикулы дождевого кома.
«Степень, до которой спикулы могут изгибаться, была довольно удивительной, поскольку они в основном сделаны из стекла», - сказал Монн. Инженеры часто используют модель, называемую теорией балки Эйлера-Бернулли, чтобы рассчитать, насколько балка будет изгибаться под нагрузкой, но это применимо только тогда, когда величина изгиба очень мала. Оказалось, что спикулы слишком сильно изгибаются, чтобы их можно было приспособить к теории.
«Это говорит о том, что классические теории, которые мы используем для анализа механических испытаний инженерных материалов, могут быть неточными при работе с биологическими материалами», - сказал Монн. «Поэтому нам также необходимо изменить наш подход к анализу, а не просто копировать и вставлять то, что мы использовали для инженерных материалов».
Монн надеется, что исследования, подобные этому, предоставят данные, необходимые для разработки надлежащих моделей, объясняющих свойства этих природных структур, и в конечном итоге использовать эти структуры для новых искусственных материалов.