Миксина насчитывает не менее 300 миллионов лет. Секрет выживания этих похожих на угрей морских существ можно найти в скорости и объеме слизи, которую они производят, чтобы отбиваться от хищников. Интересно, что самые старые окаменелости этих похожих на угрей морских существ были найдены в Иллинойсе, и сегодня исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн начинают раскрывать тайну того, как миксины используют это вещество, чтобы душить своих хищников.
"Миксины одновременно удивительны и отвратительны", - отметил Рэнди Эвольдт, доцент кафедры механики и инженерии в Иллинойсе, изучавший миксин около десяти лет.«Причина, по которой они отвратительны, объясняет, как они выживали все это время».
Эвольдт вместе с первым автором Гауравом Чаудхари, аспирантом лаборатории Эволдта, и Жаном-Люком Тиффо, математиком из Университета Висконсина, поделились своими выводами о «Распутывании миксинной слизи» в статье, опубликованной Интерфейс Журнала Королевского общества.
Тот факт, что они слизистые, был известен в течение ряда лет, но только в этом десятилетии наконец появились доказательства того, что миксины используют свою слизь, чтобы закупорить жабры некоторых хищников, питающихся всасыванием., подтверждая подозрения, почему миксина производит слизь.
"Когда миксины создают эту слизь, они делают это невероятно эффективно, поскольку количество вещества, которое они помещают в воду, увеличивается в объеме до 10 000 раз, чтобы сделать конечную слизь. гель, - объяснил Эвольдт. «Объемное увеличение поразительно и, насколько я знаю, не затронуто ничем другим в природе или чем-либо, что мы сделали как инженеры."
Эвольдт признает, что, хотя существует ряд реальных приложений, которые, вероятно, будут разработаны в будущем с использованием метода миксины, объяснение того, как миксина производит этот материал, было в большей степени исследованием, основанным на любопытстве.
«Мы хотели выяснить, почему эта штука удивительно любопытна и странна, - сказал Эвольдт. - Интересная физика и тот факт, что нет четкой аналогии, побудили нас попытаться объяснить это».
Интерфейс Королевского общества публикует результаты исследований, находящихся на стыке различных наук. В данном случае объяснение таинственной миксины встретилось на стыке физики, прикладной математики и биологии.
«Слизь миксины не поддерживает ту же топологию при увеличении объема, она действительно коренным образом меняется по мере распутывания нитей и увеличения ее объема», - сказал Эволдт. «В центре внимания этого исследования был этот уникальный механизм».
Команда обнаружила, что нити миксины, в 100 раз тоньше человеческого волоса и изначально намотанные как моток пряжи, могут распутываться в мгновение ока из-за потока жидкости. При этом его размер может варьироваться от 0,1 миллиметра до 10 сантиметров в длину, или включение воды в количестве 10 000:1.
Работа основана на документах, опубликованных Эвольдтом еще 10 лет назад в сотрудничестве с биологами-экспериментаторами, в том числе с Дугом Фаджем, адъюнкт-профессором Университета Чепмена и хранителем некоторых миксин.
Команда Чаудхари, Эвольдта и Тиффо выдвинула гипотезу, что на самом деле это происходит из-за потока жидкости, а не из-за химического взрыва. Используя материал, созданный миксиной, находящейся на попечении Фаджа, команда создала модель с использованием как математики, так и физики для проверки гипотезы и обнаружила, что время и объем распада слизи коррелируют с вязкостью и потоком окружающей жидкости. Другими словами, если слайм поместить в стоячую воду, он не сможет распутаться, но в разгар какой-либо атаки будет достаточно потока жидкости, чтобы слизь распуталась.
Эвольдт отметил, что, поскольку нападения на миксин происходят в разных условиях, его команде пришлось упростить, чтобы придумать модельный сценарий. Другой движущий фактор, который, вероятно, влияет на этот процесс, еще предстоит измерить - это липкость внутри нити, которая может оказывать некоторое сопротивление.
«Поскольку физическое сопротивление в случае миксины никогда не измерялось, нам пришлось действительно обобщить нашу математическую модель и использовать для этого некоторый разумный диапазон значений», - сказал Эвольдт. «Один действительно эффективный способ сделать это - записать основные уравнения и использовать анализ размерностей, чтобы взять сложные многомерные уравнения и найти способ их упростить. Надежность вывода заключается в том, что это не просто одно значение свойство, а не ряд вещей, которые мы могли бы охватить, сформулировав математику этого мощным способом."
В конце концов, при различных условиях команда пришла к выводу, что это распутывание примерно с 0,1 миллиметра до примерно 10 сантиметров может произойти менее чем за несколько сотен миллисекунд.
Хотя получившийся гель слизи является твердым, он достаточно мягкий, чтобы принять форму своего контейнера, что делает его почти незаметным для глаза в ведре с водой. Он также достаточно прочен и достаточно непроницаем, чтобы практически остановить поток воды.
В будущем Эвольдт, ведущий эксперт в области изучения реологии, и его команда хотят продолжить изучение ее гидравлической проницаемости и, в конечном счете, принять участие в разработке материалов с таким же свойством.
«Я хотел бы больше подумать об аспекте материального дизайна», - сказал Эвольдт. «Мы до сих пор не придумали, как сделать такой материал, который набухает в воде и забивается в морской среде».
Можно сказать, что когда дело доходит до миксины, существа, которое прожило не менее 300 миллионов лет, есть еще много загадок, которые нужно разгадать.