Ученые из Германии и США исследовали скелет акулы на наноуровне. Результаты показали, что по-особому устроенная хрящевая ткань дает этим рыбам устойчивость к повреждениям, гибкость и прочность. Подход предлагают применять для инженерных расчетов при производстве протезов, имплантов, защитного снаряжения и в области аэрокосмических технологий, пишет Forbes.
Над исследованием работали: американские — Колледж наук имени Чарльза Э. Шмидта, Колледж инженерии и компьютерных наук Флоридского Атлантического университета, Национальная служба морского рыболовства (NOAA Fisheries. А также немецкий научный центр Deutsche Elektronen-Synchrotron. Результаты опубликовали в специализированном издании ACS Publications.
Исследователи сосредоточились на позвоночнике черноперой акулы. Это распространенный прибрежный вид, обитающий в теплых мелководьях по всему миру. Обычно они вырастают на 1,5 метра в длину, хотя бывают и более крупные особи. Питаются мелкой рыбой, используя рывок с ускорением, чтобы внезапно поймать добычу. Анализируя скелет хищника, ученые сделали синхротронную рентгеновскую нанотомографию. Этот метод 3D-визуализации позволяет рассмотреть структуру в нанометровом масштабе. Кроме изображения, ученые также провели механические испытания. Сама соединительная ткань и то, как она объединяется в скелет, создает эффект адаптивности, прочности и гибкости. Это свойства, которые позволили акулам выживать более 400 млн лет.
"Природа создает чрезвычайно прочные материалы, сочетая минералы с биологическими полимерами, такими как коллаген. Этот процесс известен нам как биоминерализация, — прокомментировала исследование старший автор Вивиан Мерк. — Эта стратегия позволяет таким существам, как креветки, ракообразные и даже люди, развивать прочные, устойчивые скелеты. Акулы являются ярким примером".
Хрящи у акул работают как пружина. Они сжимаются и выпрямляются под воздействием внешних факторов. Когда акула сгибает и разгибает хвост, благодаря построению позвоночника высвобождается дополнительная энергия, которая усиливает каждый последующий гребок. Животным удается достигать этого эффекта благодаря тому, как эволюция обустроила саму ткань скелета.
Структура позвоночника неоднородна. Есть внешний минерализованный слой corpus calcareum. Под ним внутреннее наполнение intermediale. Оба слоя состоят из плотно запакованного коллагена и минерала биоапатит, содержащегося также в человеческих костях. Эти области хрящевой ткани у акул пористые и усилены толстыми распорками, которые помогают поглощать давление и напряжение с разных сторон. Хотя химический состав у обоих слоев похож, физические свойства различны.
Биопатит сформирован в крошечные иголочки, которые выравниваются в зависимости от расположения нитей коллагена. Такая взаимозависимость повышает способность материала противостоять повреждениям. Есть также отдельный механизм для предотвращения появления трещин. Исследователи обнаружили спиральные волокнистые структуры в хряще, выполняющие эту функцию. Ученые считают, что именно таким образом следует создавать новейшие материалы для изготовления имплантатов, протезов, защитного или аэрокосмического снаряжения.
Ранее ученые уже использовали структуру акульей чешуи, чтобы изготовить покрытие для самолетов. Его так и назвали — "акулья кожа". Оно уменьшает турбулентность и увеличивает скорость полета. Наносится как клейкая пленка. Благодаря этой разработке авиакомпании экономят десятки миллиардов долларов на топливе.