Havsvampe bliver siddende med ankre, der bøjer, men ikke går i stykker

Havsvampe kendt som Venus blomsterkurve forbliver fastgjort til havbunden med intet andet end en række tynde, hårlignende ankre fremstillet hovedsageligt af glas. Det er et vigtigt job, og ny forskning tyder på, at det er den interne arkitektur i disse ankre, kendt som basalia spicules, der hjælper dem med at gøre det.

Spicules, hver cirka halvdelen af ​​et menneskehårs diameter, er lavet af en central silica (glas) kerne beklædt inden for 25 tynde silica cylindre. Set i tværsnit, arrangementet ligner ringene i en træstamme. Den nye undersøgelse af forskere ved Brown University's Engineering School viser, at sammenlignet med spicules taget fra en anden svampeart, der mangler træringarkitekturen, basalia spicules er i stand til at bøje op til 2,4 gange længere, før de går i stykker.

"Vi sammenlignede to naturlige materialer med meget ens kemiske sammensætninger, hvoraf den ene har denne indviklede arkitektur, mens den anden ikke har det, "sagde Michael Monn, en Brown University -kandidatstuderende og første forfatter til forskningen." Mens de mekaniske egenskaber ved spicules tidligere er blevet målt, dette er den første undersøgelse, der isolerer arkitekturens effekt på spiculernes egenskaber og kvantificerer, hvordan arkitekturen forbedrer spicules evne til at bøje mere, før de brydes. "

Denne bøjelighed gør sandsynligvis spiculerne i stand til at væve sig ind i havbundens silt, hjælper med at sikre svampens sikre fastgørelse. En bedre forståelse af, hvordan denne interne spicule-arkitektur fungerer, kan være nyttig til udvikling af nye menneskeskabte materialer, siger forskerne.

Forskningen er offentliggjort i Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials .

Da studieforfatter Haneesh Kesari, adjunkt i Brown's School of Engineering, så først den interne arkitektur i basalia spicules, han blev umiddelbart fascineret af mønsterets konsistens og regelmæssighed. "Det lignede en figur fra en matematikbog, " han sagde.

Siden da, Kesari har arbejdet på at forstå arkitekturens betydning. I 2015, Kesari, Monn og flere kolleger offentliggjorde en analyse, der viste, at arrangementet af spiculernes koncentriske lag - der gradvist falder i tykkelse fra midten mod ydersiden - er matematisk optimal for at maksimere spicules styrke.

Denne seneste undersøgelse er en mere direkte test af en ejendom, forskerne mener er vigtig for spicule -ankre:bøjning af fejl, hvilket er i hvilken grad noget kan bøje uden at gå i stykker.

"Intuitivt, det er fornuftigt, at spiklerne ville være bedre ankre, hvis de kunne sno sig gennem siltet ", Sagde Monn. "Det ville gøre dem meget sværere at trække ud, end hvis de var stift lige. Den mekaniske egenskab, der er mest forbundet med den ønskelige funktionalitet, ville være bøjning af fejlspænding."

Til undersøgelsen, forskerne brugte et apparat, de specielt designet til at teste, hvor langt spicules kan bøje. Spiklerne lægges på tværs af et stadium med et hul i midten. En lille kile sænkes derefter på spiculen, som bøjer det ned i hullet. Et kamera på siden af ​​enheden tager billeder, giver præcise målinger af, hvor langt spiklerne bøjer, før de går i stykker.

Monn og Kesari brugte enheden til at teste både basalia spicules fra Venus blomsterkurve samt spicules fra en anden art - den orange puffball svamp. De to sæt spicules har nogenlunde de samme diametre og en i det væsentlige identisk silica -sammensætning. Men puffball spicules mangler blomsterkurvenes indre arkitektur. Så enhver forskel i bøjningsbelastning mellem de to kunne tilskrives arkitekturen.

Eksperimenterne viste, at blomsterkurvens spicules kunne bøje 140 procent mere end puffball -spicules.

"I hvilket omfang spiklerne kunne bøje var ret overraskende, da de i det væsentlige er lavet af glas", Sagde Monn. Ingeniører bruger ofte en model kaldet Euler-Bernoulli stråle teori til at beregne, hvor meget en stråle vil bøje under en belastning, men det gælder kun, når størrelsen af ​​bøjningen er meget lille. Spikulerne viste sig i stand til at bøje for meget til, at teorien kunne rumme.

"Det siger, at de klassiske teorier, vi bruger til at analysere mekaniske test af ingeniørmaterialer, muligvis ikke er nøjagtige, når vi beskæftiger os med biologiske materialer, "Monn sagde." Så vi skal også ændre vores analysetilgang og ikke bare kopiere og indsætte, hvad vi har brugt til konstruktionsmaterialer. "

Monn håber, at undersøgelser som denne vil give de data, der er nødvendige for at udarbejde korrekte modeller til at forklare egenskaberne ved disse naturlige strukturer, og til sidst gøre brug af disse strukturer til nye menneskeskabte materialer.