Спикулы, каждая размером примерно в половину диаметра человеческого волоса, состоят из центрального кварцевого (стеклянного) ядра, покрытого 25 тонкими кремнеземными цилиндрами. В поперечном разрезе расположение выглядит как кольца в стволе дерева. Новое исследование, проведенное учеными из инженерной школы Университета Брауна, показывает, что по сравнению со спикулами, взятыми из губок другого вида, у которых отсутствует древовидная структура, спикулы базалии способны изгибаться в 2,4 раза больше, прежде чем сломаться.
«Мы сравнили два природных материала с очень похожим химическим составом, один из которых имеет такую сложную архитектуру, а другой — нет», — сказал Майкл Монн, аспирант Университета Брауна и первый автор исследования. «В то время как механические свойства спикул были измерены в прошлом, это первое исследование, которое изолирует влияние архитектуры на свойства спикул и количественно оценивает, как архитектура усиливает способность спикул больше изгибаться перед разрушением».Эта изгибаемость, вероятно, позволяет спикулам вплетаться в ил морского дна, обеспечивая надежное прикрепление губки. По словам исследователей, лучшее понимание того, как работает эта внутренняя архитектура спикул, может быть полезно при разработке новых материалов, созданных руками человека.
Исследование опубликовано в Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials.Когда соавтор исследования Ханиш Кесари, доцент инженерной школы Брауна, впервые увидел внутреннюю архитектуру спикул базалии, его сразу же заинтриговала последовательность и регулярность рисунка. «Это было похоже на фигуру из учебника по математике», — сказал он.
С тех пор Кесари работал над пониманием значения архитектуры. В 2015 году Кесари, Монн и несколько коллег опубликовали анализ, показывающий, что расположение концентрических слоев спикул, толщина которых постепенно уменьшается от центра к внешней стороне, является математически оптимальным для максимизации силы спикул.
Это последнее исследование является более прямым тестом свойства, которое, по мнению исследователей, важно для якорей спикулы: деформации разрушения при изгибе, то есть степени, до которой что-то может изгибаться без разрушения.«Интуитивно понятно, что спикулы были бы лучшими якорями, если бы они могли пробиваться сквозь ил», — сказал Монн. «Их было бы намного сложнее вытащить, чем если бы они были прямыми штифтами. Механическое свойство, наиболее связанное с этой желаемой функциональностью, — это деформация при изгибе и разрушении».
Для исследования исследователи использовали прибор, который они разработали специально для проверки того, насколько далеко могут изгибаться спикулы. Спикулы укладываются поперек ступени с промежутком посередине. Затем на спикулу опускается небольшой клин, который загибает ее в щель.
Камера на боковой стороне устройства делает снимки, обеспечивая точные измерения того, насколько сильно изгибаются спикулы, прежде чем они сломаются.Монн и Кесари использовали устройство для тестирования как спикул базалии из цветочных корзин Венеры, так и спикул другого вида — апельсиновой губки. Два набора спикул имеют примерно одинаковый диаметр и практически идентичный состав кремнезема. Но у спикул клубочков отсутствует внутренняя архитектура цветочных корзин.
Таким образом, любая разница в деформации изгиба между ними может быть связана с архитектурой.Эксперименты показали, что спикулы цветочной корзины могут сгибаться на 140 процентов больше, чем спикулы клубочков.«Степень, в которой спикулы могли изгибаться, была довольно удивительной, поскольку они в основном сделаны из стекла», — сказал Монн. Инженеры часто используют модель под названием теория балок Эйлера-Бернулли, чтобы вычислить, насколько балка будет изгибаться под нагрузкой, но это применимо только тогда, когда величина изгиба очень мала.
Спикулы оказались способны изгибаться слишком сильно, чтобы теория могла приспособиться к ним.«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, они будут использоваться для создания новых материалов, созданных человеком.