На глубине сотен метров во тьме океана акула скользит к чему-то похожему на еду. Он какой-то уродливый, похожий на угря и не особо мясистый, но все же, наверное, еда. Итак, акула наносит удар.
Вот где взаимодействие биологии и физики становится загадочным - так же, как акула обнаруживает, что ее обед прерван облаком защитной слизи, которое появилось из ниоткуда вокруг безмятежной миксины.
Жан-Люк Тиффо, профессор математики из Университета Висконсин-Мэдисон, и его коллеги Рэнди Эвольдт и Гаурав Чаудхари из Университета Иллинойса математически смоделировали защитный механизм миксины, вызывающий рвотные позывы, и опубликовали свою работу сегодня в Журнале Интерфейс Королевского общества.
Океаническая миксина уникальна по самым странным причинам. У него есть череп, но нет позвоночника или челюсти. Его кожа болтается на его
боди, крепится только по спинке. Его зубы и плавники представляют собой примитивные, недоразвитые структуры, которые лучше всего описываются определителями - "зубовидный" и "плавниковый".
Но у него есть удивительная хитрость в этом жутком свободном рукаве кожи: в мгновение ока (или вспышки атакующего хвоста и зубов) миксина может производить слизи во много раз больше, чем ее собственное тело. Слизь настолько густая и волокнистая, что у хищников нет иного выбора, кроме как выплюнуть миксину и попытаться откашляться. «Пасть акулы сразу же наполняется этим гелем», - говорит Тиффо. «На самом деле, это часто их убивает, потому что забивает им жабры».
Гель представляет собой запутанную сеть микроскопических, удерживающих морскую воду нитей, разматываемых из шариков вещества, выбрасываемого железами вдоль кожи миксины. Эти «мотки» имеют диаметр всего 100 миллионных долей метра (вдвое больше ширины человеческого волоса), но настолько плотно свернуты, что могут содержать до 15 сантиметров нити. Любознательные ученые наблюдали за распутыванием ранее, помещая мотки в соленую воду, чтобы увидеть, сколько времени им потребовалось, чтобы развалиться.
«Миксина делает это менее чем за полсекунды, но в экспериментах потребовались часы замачивания, чтобы нити ослабли», - говорит Тиффо, чьи исследования сосредоточены на гидродинамике и смешивании. «Пока они не помешали воду, и это произошло быстрее. Все дело в перемешивании».
Создатели моделей слизи решили посмотреть, сможет ли математика сказать им, достаточно ли сил бурной воды атаки «укуси и встряхни», чтобы размотать мотки и сделать слизь, или же нужен другой механизм, например, требуется химическая реакция, обеспечивающая треск мотка.
Эвольдт, профессор машиностроения, и его аспирант Чаудхари начали распутывать мотки под микроскопом, наблюдая за процессом, когда свободные концы нити прилипли к кончику движущегося шприца, а из клубка вытянулись отрезки.
«Наша модель основана на идее маленького кусочка, который сначала болтается, а затем отрывается», - говорит Тиффо. «Думайте об этом как о рулоне ленты. Чтобы начать тянуть ленту с нового рулона, вам, возможно, придется искать конец и отрывать его ногтем. Но если свободный конец уже есть, его легко чем-нибудь поймать. и вперед."
Разматывание требует достаточно большой разницы между сопротивлением свободного конца и противодействующим толчком мотка - соотношение больше, чем точка опрокидывания, которую исследователи неофициально называют «числом отслаивания», - чтобы высвободить больше нити.
«Этого маловероятно, если все это будет свободно перемещаться в воде», - говорит Тиффо. «Главный вывод нашей модели заключается в том, что мы думаем, что механизм основан на том, что нити зацепляются за что-то еще - за другие нити, за все поверхности внутри рта хищника, почти за что угодно - и именно оттуда он действительно может быть взрывоопасным."
Это не обязательно должна быть одна загвоздка.
«Биология такая, какая она есть, она не обязана быть точной. Все становится грязным», - говорит Тиффо. «Этот ведущий кусок нити может немного зацепиться, затем соскользнуть, а затем снова зацепиться. Пока это происходит с достаточным количеством мотков, вы довольно быстро оказываетесь в слизи».
Мотки могут получить импульс от муцинов, белков, обнаруженных в слизи, которые могут ускорить разрыв упакованной нити, «но такого рода вещи просто помогут гидродинамике», - говорит Тиффо, который однажды подсчитал, в какой степени плавающие морские обитатели смешивают целые океаны своими плавниками и ластами.
«Трудно представить, что есть другой процесс, кроме гидродинамического потока, который может привести к таким масштабам времени, к этому взрыву слизи», - говорит он. «Когда акула кусает, это создает турбулентность. Это создает более быстрые потоки, такие вещи, которые дают начало этим вещам. Ничто не будет происходить так же хорошо, как в нашей модели, что является скорее хорошим началом для тех, кто хочет провести больше измерений, но наша модель показывает, что физические силы играют самую большую роль».
Гидродинамика слизи миксины - это не просто любопытство. Понимание образования и поведения гелей является постоянной проблемой во многих биологических процессах и аналогичных промышленных и медицинских приложениях».
Одна из вещей, над которой мы хотели бы поработать в будущем, - это сеть потоков. Мне нравится думать о моделировании материалов как о больших случайных наборах нитей, - говорит Тиффо. - Простая модель запутанных нитей может помочь нам увидеть, как эта сеть определяет макроскопические свойства множества различных интересных материалов».
Грант Национального научного фонда (CBET-1342408) помог поддержать это исследование.