Optrævlende tråde af bizart hagfish-eksplosivt slim

Hundredvis af meter dybt i havets mørke, en haj glider hen mod det, der ligner et måltid. Det er lidt grimt, ålagtig og ikke særlig kødfuld, men stadig sandsynligvis mad. Så hajen slår til.

Det er her, samspillet mellem biologi og fysik bliver mystisk - ligesom hajen finder sin middag afbrudt af en sky af beskyttende slim, der dukkede op ud af ingenting omkring en ellers rolig hagfish.

Jean-Luc Thiffeault, en matematikprofessor ved University of Wisconsin-Madison, og samarbejdspartnere Randy Ewoldt og Gaurav Chaudhary fra University of Illinois har modelleret hagfishens gag-inducerende forsvarsmekanisme matematisk, udgiver deres arbejde i dag i Journal of the Royal Society Interface .

Den havboende hagfish er unik af alle de mærkeligste grunde. Den har et kranie, men ingen rygsøjle eller kæbe. Dens hud hænger løst på dens

legeme, kun fastgjort langs ryggen. Dens tænder og finner er primitive, underudviklede strukturer, der bedst beskrives med kvalifikationer - "tandlignende" og "finnelignende".

Men den har et fantastisk trick, der er uhyggeligt, løst ærme af huden:På et øjeblik (eller et glimt af angribende hale og tænder) kan hagfish producere mange gange sin egen krops volumen i slim. Skålen er så tyk og fibrøs, rovdyr har ikke meget andet valg end at spytte hagfish ud og forsøge at rense deres mund." Hajens mund er straks fyldt med denne gel, " siger Thiffeault. "Faktisk, det slår dem ofte ihjel, fordi det tilstopper deres gæller."

Gelen er et sammenfiltret netværk af mikroskopiske, havvandsfangende tråde, der er spolet ud fra kugler af det stof, der kastes ud fra kirtler langs hagfishens hud. Disse "nøster" er kun 100 milliontedele meter i diameter (to gange bredden af ​​et menneskehår), men så tæt oprullet, at de kan indeholde helt op til 15 centimeter tråd. Nysgerrige forskere har set på optrevlingen før, putte nøglerne i saltvand for at se, hvor lang tid det tog dem at skille sig ad.

"Harren gør det på mindre end et halvt sekund, men det tog timers iblødsætning for trådene at løsne sig i eksperimenter, " siger Thiffeault, hvis forskning er fokuseret på væskedynamik og blanding. "Indtil de rørte vandet, og det skete hurtigere. Omrøringen var sagen."

Slimmodellerne satte sig for at se, om matematik kunne fortælle dem, om kræfterne fra det turbulente vand fra et bid-og-ryst-angreb var nok til at løsne nøglerne og lave slimet, eller hvis en anden mekanisme - som en kemisk reaktion, der giver lidt pop til nøglen - var påkrævet.

Ewoldt, professor i maskinteknik, og hans kandidatstuderende Chaudhary begyndte at optrevle nøgler under mikroskoper, at se processen, mens løse ender af tråden klæber til spidsen af ​​en sprøjte i bevægelse, og slæbende længder spundet ud fra bolden.

"Vores model afhænger af en idé om et lille stykke, der i første omgang dingler ud, og så et stykke, der bliver trukket væk, " siger Thiffeault. "Tænk på det som en rulle tape. For at begynde at trække tape fra en ny rulle, du kan blive nødt til at jage efter enden og plukke den løs med neglen. Men hvis der allerede er en fri ende, det er nemt at fange det med noget og komme i gang."

Udrulning kræver en stor nok forskel mellem træk på den frie ende og et modsat skub på nøglen - et forhold større end et vippepunkt, som forskerne uformelt omtaler som "afskalningstallet" - for at frigøre mere tråd.

"Det er usandsynligt, at det sker, hvis det hele bevæger sig frit i vand, " siger Thiffeault. "Hovedkonklusionen på vores model er, at vi tror, ​​at mekanismen er afhængig af, at trådene bliver fanget i noget andet - andre tråde, alle overflader på indersiden af ​​et rovdyrs mund, stort set alt - og det er derfra, det virkelig kan være eksplosivt."

Det behøver ikke engang at være en eneste hage.

"Biologi er, som den er, det behøver ikke at være præcist. Ting bliver rodet, " siger Thiffeault. "Den forreste tråd kan blive fanget en lille smule, så slip, så bliv fanget igen. Så længe det sker med nok nøgler, det er ret hurtigt, at du er i slimet."

Nøglene kan få et boost af muciner, proteiner fundet i slim, der kan fremskynde opbrydningen af ​​pakket tråd, "men den slags ting ville bare hjælpe hydrodynamikken, " siger Thiffeault, som engang beregnede, i hvilket omfang svømmende havliv blander hele oceaner med deres finner og svømmefødder.

"Det er bare svært at forestille sig, at der er en anden proces end hydrodynamisk flow, der kan føre til disse tidsskalaer, det slimbrud, " siger han. "Når hajen bider ned, det skaber turbulens. Det skaber hurtigere flow, den slags ting, der giver kimen til, at disse ting kan ske. Intet kommer til at ske så pænt som i vores model - hvilket er mere en god start for alle, der ønsker at tage flere målinger - men vores model viser, at de fysiske kræfter spiller den største rolle."

Hydrodynamikken i hagfish slim er ikke kun en kuriosum. At forstå dannelsen og adfærden af ​​geler er et stående problem i mange biologiske processer og lignende industrielle og medicinske anvendelser."

En af de ting, vi gerne vil arbejde med i fremtiden, er netværket af tråde. Jeg elsker at tænke på modelleringsmaterialer som store tilfældige samlinger af tråde, Thiffeault siger. "En simpel model af sammenfiltrede tråde kan hjælpe os med at se, hvordan det netværk bestemmer de makroskopiske egenskaber for en masse forskellige, interessante materialer."