Сегодня ученые в разных областях все чаще обращаются за идеями к биологическим примерам, поскольку природа создала за много лет эволюции идеальные решения. В машиностроении «заимствуют» конечности животных, приспособленные для преодоления крутых склонов или песков, в текстильной промышленности самым известным примером являются листья лотоса, благодаря которым создана водоотталкивающая одежда, или репейник, ставший прообразом липучки. Открытие цинковой самозаточки зубов пустынной саранчи тоже может привести к полезным изобретениям в биомиметике.
эксклюзив 🔹
Как известно, зубы бобров и кроликов растут всю жизнь, и их приходится стачивать, чтобы предотвратить травмы. Новое исследование, опубликованное в Interface Focus, теперь поместило в компанию животных с самозаточкой зубов еще одно — Schistocerca gregaria, пустынную саранчу, пишет Ной Ллойд, Северо-Восточный университет США, в релизе университета.
Ульрике Г.К. Вегст, доцент кафедры физики Северо-Восточного университета США, обнаружила, что экзоскелеты саранчи накапливают концентрацию цинка в нижних челюстях, что делает их «лопатообразный ротовой аппарат» (согласно исследованию) более твердым по отношению к окружающей кутикуле.
Экзоскелет саранчи состоит из хитина, волокнистого материала, мало чем отличающегося от целлюлозы, обнаруженного в растениях и общего как для насекомых, так и для морских обитателей, таких как ракообразные.
Хитин животного варьируется в зависимости от использования. В некоторых частях тела требуется гибкость (например, вокруг челюстей, которые необходимо открывать и закрывать), а в других — значительная твердость.
Исследование, проведенное в сотрудничестве с биологом Оливером Бетцем из Института эволюции и экологии, эволюционная биология беспозвоночных, Тюбингенский университет, и Питером Клотенсом из Европейского синхротрона (European Synchrotron Radiation Facility — исследовательский ускорительный комплекс, источник синхротронного излучения третьего поколения, расположенный в Гренобле, Франция), показало, как закаленные цинком части челюстей саранчи затачиваются при использовании.
Челюсти саранчи мало чем отличаются от человеческих челюстей: одна челюсть слегка перекрывает другую, хотя у саранчи они открываются и закрываются только горизонтально. Когда две половинки сдвигаются друг с другом, края заостряют друг друга.
Вегст, специализирующийся на материаловедении, обнаружил выраженную «цинковую кромку» вдоль нижней челюсти с помощью синхротрона — своего рода ускорителя частиц, который использовал «монохроматические энергетические рентгеновские лучи».
Преимущество синхротронного света заключается в его интенсивности: «Мы можем уменьшить спектр до очень узкой энергии. Фактически, мы можем сделать его монохроматическим, так что у меня все еще будет достаточно энергии для изображения, но я также могу точно позиционировать эту энергию», — говорит Вегст.
Материалы по-разному поглощают рентгеновские лучи, и благодаря узкости луча синхротрона исследователи могли использовать процесс субтрактивной визуализации, чтобы «с одной стороны измерить количество цинка», говорит Вегс, и «более легко увидеть, как он распределяется в трех измерениях».
Построив трехмерную модель челюстей саранчи, Вегст смогла затем определить, как более твердые передние края челюстей саранчи при использовании срезают более мягкий хитин вокруг них, сохраняя тем самым более острый край.
«То, что я пытаюсь получить здесь, в этой режущей кромке, — это высокая твердость, которая может противостоять высокоабразивным древесным материалам. Дабы обеспечить, чтобы режущие кромки оставались острыми как можно дольше, полезен механизм самозаточки, когда одна из этих кромок будет тереться о другую. Таким образом, каждый раз, когда она что-то режет, она также затачивается», — рассказывает исследователь.
Но износ неизбежен, несмотря на этот «очень умный механизм». Со временем край изнашивается, но, как отмечает Вегст, саранча регулярно сбрасывает свой экзоскелет, заново отращивая хитиновый внешний панцирь и твердый, обогащенный цинком ротовой аппарат.
«Представьте, что вы используете тупой нож вместо острого. На резку уходит больше энергии, поэтому для животного, которому нужно есть и сохранять энергию, эффективный режущий механизм на самом деле является стратегией выживания. Если у меня тупые режущие инструменты – а я получу свой новый нож через шесть недель, я буду голодать между делом», объясняет исследователь.
«Животное, у которого есть механизм самозатачивания, имеет преимущество, но для саранчи также обходится дорого — необходимо потреблять столько цинка, сколько ей нужно, и распределять его по соответствующим участкам экзоскелета. Это баланс, который организм, кажется, поддерживает эффективным распределением только в тех областях, где цинк больше всего необходим».
Как цинк попадает в челюсти и как саранча потребляет его в достаточном количестве, остается открытым вопросом для дальнейших исследований.
Но Вегст также предвидит, что в результате этого исследования возникнут идеи биомиметического дизайна. Но это не означает создание индивидуальных копий. Скорее, «биомиметика», говорит она, подразумевает «понимание принципов функционирования».
«Это простой принцип размещения ресурсов в определенных областях, чтобы сделать что-то устойчивым к повреждениям, устойчивым и просто долгоживущим», заключила Вегст.
Источник: Northeastern University. Автор: Ной Ллойд.
На фото: пустынная саранча (Schistocerca gregaria) откладывает яйца во время нашествия саранчи в Мавритании в 1994 году. Автор фото: Кристиан Койман, Wikimedia Commons, CC0.
