Интеллектуальные беседы на тему биологии, нейробиологии, генетики
Ответить
Профессор
Участник
Баланс:2178
 
Сообщения: 148
Регистрация: 26.10.2019

Загадочная прочность скелета морской губки

Профессор » 23.05.2021 22:52

+
4
-
В 1841 английский биолог Ричард Оуэн изучал скелет недавно открытой морской губки, обитающей вблизи Филиппин. Он писал, что её скелет «напоминает изысканный рог изобилия», сотканный из «жёстких, блестящих эластичных нитей, чего-то вроде тончайших волосков кручёного стекла». Скелет и правда был стеклянным – это животное, Euplectella aspergillum, прозванное «венериной цветочной корзинкой», изготавливает его при помощи кислоты, извлекаемой из морской воды.

Среди её интересных свойств - продолжительность жизни. Считается, что некоторые стеклянные губки живут многие тысячи лет, что делает их одними из самых долгоживущих животных. Кроме того, губка умеет проводить свет через свои кварцевые нити, как оптоволокно. В последние два десятилетия группа биологов, материаловедов и инженеров из Гарвардского университета сконцентрировались на той особенности губки, которая изначально интересовала Ричарда Оуэна – замысловатой схеме строения её скелета. Последняя работа описывает его чрезвычайную прочность, природа которой не ясна до сих пор.

Изображение

Прочность скелета основана на необычном строении его решётки. Впервые им 20 лет назад заинтересовалась гарвардский материаловед и химик Джоанна Айзенберг. Кетрин Бертолди, одна из соавторов Айзенберг, тоже была очарована рисунком решётки, как только увидела её. «У неё архитектура периодическая, но не простая», — сказала Бертолди. Они с коллегами задумались: «Зачем ей нужна такая сложная архитектура?»

Они отметили, что у стеклянных нитей, составляющих скелет венериной цветочной корзины, много общего с фермами, используемыми для стабилизации мостов и небоскрёбов. Вот уже более ста лет инженеры предпочитают делать фермы из прочных решёток в виде квадратной сетки с диагоналями, придающими ей прочность. «Мы уже давно делаем это одним и тем же способом», — сказал Матеус Фернандес, аспирант из команды исследователей. Но в скелете венериной цветочной корзины есть пары диагоналей, идущих в обоих направлениях – в отличие от типичных ферм, использующих единственную диагональ. Пары диагоналей разнесены в пространстве, из-за чего сетка похожа на шахматную доску, на которой диагонали пересекают каждый второй квадрат.

Исследователи изготовили, а также симулировали на компьютере решётку на основе скелета губки, и сравнили её с тремя другими схемами решёток, имеющих похожий вес, включая и стандартные фермы. В симуляциях и экспериментах обнаружилось, что решётка, изготовленная по биологическому образцу, выдержала наибольшие нагрузки. Испытывалось сжатие в одном направлении, а также давление на три точки. В последующих симуляциях учёные меняли количество диагональных нитей, расстояние между ними и их толщину, чтобы подобрать наиболее прочную решётку. Наиболее прочной оказалась решётка, сделанная по образу скелета губки.

Фернандес говорит, что дополнительные диагонали дают решётке больше мест соединения нитей, чем у обычной фермы, и уменьшают расстояние между соединениями. Возможно, это позволяет структуре выдерживать большее давление. Команда подробно описала свои первоначальные открытия, касающиеся прочности скелета, в журнале Nature Materials. Один из соавторов работы, Джеймс Уивер, сказал, что сейчас авторы находятся в процессе более «глубокого погружения» в разные аспекты этих стеклянных скелетов.

Изображение

Также исследователи подают заявку на патент, регистрируя созданную ими на основе скелета решётку. Если структурам можно будет добавить прочности, не добавляя веса, теоретически получится строить более длинные мосты, более лёгкие компоненты, которые будет проще перевозить, и даже создавать более изящные конструкции для использования в космосе. «Процесс проб и ошибок, идущий миллионы лет эволюции, выбирает наилучшие варианты» для материалов, как сказал Пабло Заватьери, профессор гражданского строительства из университета Пердью.

Однако в случае венериной цветочной корзины эволюционная цель несжимаемости губки неясна.
Губки часто живут на глубинах в тысячи метров, при экстремальном давлении воды, однако это давление действует во всех направлениях, одинаково сдавливая стеклянные нити со всех сторон, что нивелирует его воздействие. Губка не испытывает «сокрушительного давления».

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0798-1
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC373466/
Поделиться:

Теги:

Аватара пользователя
MoonBear
Участник
Баланс:4309
 
Сообщения: 267
Регистрация: 02.06.2020

Re: Загадочная прочность скелета морской губки

MoonBear » 24.05.2021 21:33

+
5
-
Естественная лаборатория эволюции, пользуясь неограниченным временем и отбрасывая неудачные варианты, воплощает в живых существах действия различных сил природы. Причем, даже тех, о которых мы сейчас только догадываемся или узнали за последнее столетие. Гравитация, аэродинамика, электричество и многие другие силы, активно используется в конкурентной борьбе всем разнообразием земной биосферы.

Миллиарды лет эмпирического опыта вывели идеальные формы, учитывающие сопромат, физику и химию. Пример - крыло птицы. Человечество много тысячелетий пародировало его, не понимая истинного назначения, безуспешно хлопая, срывалось со скал. Лишь аэродинамика позволила понять истинное предназначение - создавать подъемную силу. Даже перья играли важную роль, их ближайший аналог - рули высоты и закрылки самолета.

Так и в статье, ученые нашли новый, еще не открытый способ монтажа строительных конструкций, доказавший жизнеспособность на протяжении миллионов лет. Наверное, случай не единичной, но и массовым назвать его сложно, когда инженеры интересуются биологическими объектами с целью изучения "передового" опыта в части строительства, организации пространства, логистики и т.д.

Есть такая черта современной науки, кастовая закрытость, когда целевые группы ученых "доят" свою корову, не забредая на чужую территорию. На базе подобных корпоративных устремлений, неизбежно формируется узкоспециализированный взгляд на изучаемый предмет и, к примеру, профессионал биохимик, замечает только свои процессы, отсекая все лишнее.

Необходим комплексный подход, позволяющий нам находить природные системы, а не накладывать готовую матрицу накопившихся знаний на уже существующие объекты. Например, ранее мозг(ганглий) живых существ, воспринимался иначе, чем после изобретения компьютера, когда мы напрямую начинаем сравнивать их функционал. Даже аналогии проводим - как мозг похож на процессор, хотя, ситуация с точностью до наоборот, это микросхема похожа на нервные узлы, которые уже существовали уже миллионы лет назад.

Мне не доводилось слышать о комплексной науке по изучению живых объектов, с целью исследования их совокупности функциональных систем, включая принципы эргономики строения, как химического, так и инженерного плана. Думаю, консолидация разноплановых ученых, объединенная конкретной задачей, принесла бы много неожиданных результатов. Хотя, наука, дама амбициозная, не терпит коллективного труда, предпочитает ласкать взором индивидуалов. Опять же индекс Хирша, ну, вы меня поняли.

Ответить
   ПОМОЩЬ по форуму!