Недавно группа исследователей из Института Вейцмана, Израильских океанографических и лимнологических исследований и Национального института океанографии, Израиль, изучила структурные и механические свойства мускульных пластинок головного мозга Philine quadripartita, достигнув лучшего понимания того, как функционируют желудочные пластины. в процессе пищеварения и понимание связи между биологической функцией и механическими свойствами биологических композитов. Открытие может помочь ученым разработать новые материалы с желаемыми механическими функциями. Эта работа будет представлена на 62-м Международном симпозиуме и выставке AVS, которая состоится 18-23 октября 2015 г. в Сан-Хосе, Калифорния.
«Эта работа, дипломный проект аспирантки Маргариты Ковтанюк, представляет собой подробное исследование ультраструктуры, а также изменение твердости и модуля упругости мускульных пластин четырехчастного Филина, показывающее, что пластины используются для измельчения, а не измельчения пищи. который отличается от функции шлифования зубов ", — сказал Сидни Коэн, директор лаборатории анализа поверхности Департамента поддержки химических исследований Научного института Вейцмана, Израиль.Коэн сказал, что у Philine quadripartita есть закаленные пластины размером три миллиметра внутри желудка: две парные пластины, которые являются зеркальным отображением друг друга, и одна непарная пластина меньшего размера.
Чтобы лучше понять функции желудочных пластин в процессе пищеварения, команда Вейцмана использовала различные химические, механические и структурные методы для изучения мышечной системы желудка, пищи, присутствующей на разных этапах процесса пищеварения, и рабочей поверхности желудка. тарелки.Прямое экспериментальное наблюдение показало, что мелкая, очищенная от панциря жертва раздавливалась мышечными пластинами перед попаданием в желудок, причем две парные пластины служили измельчающими поверхностями. Исследователи также обнаружили, что пластинка желудка имеет сложную четырехслойную структуру, модули упругости которой, показывающие, насколько хорошо материал выдерживает износ, и твердость увеличиваются с увеличением расстояния от поверхности. Самый жесткий слой желудочного кишечника находится на 40-50 микрон (одна миллионная метра) ниже рабочей поверхности, в отличие от большинства зубов, где самый жесткий слой находится на поверхности.
«Для шлифования требуются очень твердые и жесткие рабочие поверхности, облегчающие разделение материалов между поверхностями, в то время как, помимо твердости и жесткости, дробление также требует некоторой степени упругости поверхности для защиты рабочих поверхностей от разрушения под высоким давлением», — пояснил Коэн.Поверхность, которая является более податливой или упругой, может лучше приспособиться к деформации, вызванной напряжением, и избежать самоповреждения.
По словам Коэна, хотя по сравнению с зубами морского ежа, используемыми для получения пищи путем измельчения скалистых поверхностей, пластинка желудка гораздо менее твердая и жесткая, уникальные структурные характеристики пластин указывают на то, что природа разработала их для различных задач.Кроме того, исследователи обнаружили, что различия в механических характеристиках и биологических функциях поверхностей также связаны с различием в минеральном составе материалов. Например, установлено, что пластинки желудка состоят из смеси аморфных минералов — карбоната кальция и фосфата кальция, а зубы морского ежа состоят из кристаллического кальцита, содержащего магний.Строгий анализ показателей эластичности (параметра, характеризующего износостойкость материала) пластин желудка по сравнению с зубами морского ежа и синтетическим кальцитом показал принципиальное различие между измельчающими и измельчающими функциями биологических композиционных материалов.
Исследователи обнаружили, что, хотя обе эти функции требуют высокой прочности, функция шлифования требует более твердых поверхностей, чтобы избежать чрезмерного износа.Коэн отметил, что пищеварительная система морских моллюсков является прекрасным примером взаимодействия химического и структурного состава с биологической функцией.
Исследование этого уникального организма в малых масштабах показало, как его функциональные возможности оптимизированы для выполнения его функции измельчения. Сравнение и сопоставление этого вида с другими организмами с различными ролями позволяет по-новому взглянуть на конкретные требования биомеханической функциональности.
«Решения, разработанные организмами в течение сотен миллионов лет, позволили создать сложные функциональные материалы в условиях окружающей среды с неожиданным и гораздо более инновационным дизайном, чем лучшие решения, созданные человеком», — сказал Коэн. «Дизайн природы многогранен и сложен. Теперь у нас есть инструменты, чтобы раскрыть некоторые из ее секретов, что позволяет нам лучше понимать и имитировать природу, помогая ученым разрабатывать лучшие материалы с желаемыми функциями».