Физика в мире животных: морские губки и их «оптоволокно»
Краб, вероятно, пришел полюбоваться на совершенную структуру скелета стеклянных губок вида Корзинка Венеры
Морские губки — примитивные организмы. Это беспозвоночные животные, которые проводят практически всю жизнь, прикрепившись к скалам или дну. Губки встречаются практически повсеместно, от прибрежных зон до самых глубоких мест в океане. Представлены губки примерно 8000 видов. У них нет настоящих тканей и органов, их функции выполняют отдельные клетки и пласты клеток. Питаются губки, прогоняя воду через собственное тело. Фильтрат, куда попадают мелкие существа и различные органические частицы, и служат питанием для губки.
Есть и хищные губки — их насчитывается около 140 видов. Эти хищники питаются рачками и другими мелкими животными. Для охоты губки семейства Cladorhizidae используют длинные липкие нити клеточного строения. Когда жертва приклеивается к нити, она укорачивается, подтягивает жертву к губке, которая постепенно обволакивает жертву и переваривает. Фильтрацию воды губки используют не только для получения пищи, но и для того, чтобы получить кислород для тканей тела. По словам специалистов, каждый день многие виды губок прокачивают через себя объем воды, в 20000 превышающий их собственный объем тела. Одним из самых необычных видов губок — Cladorhizidae. Этих существ можно назвать живым оптоволокном.
Эта губка относится к классу стеклянных губок (шестилучевые губки), которые создают свою основу из диоксида кремния. Эти живые организмы очень красивы, поскольку нити «скелета» переплетаются в самых необычных сочетаниях. Стеклянные губки типа Cladorhizidae обычно соседствуют с креветками, которые занимают внутреннюю полость скелета. Размер стеклянных губок достигает 20–30 сантиметров.
Стеклянными губками ранее интересовались специалисты из Bell Labs. Представители компании, изучив волокна скелета, сделали вывод, что материал по структуре схож с оптоволокном. Длина волокон губок составляет 5–15 см, а диаметр — 40–70 микронов. Структура волокон сложная, они являются многослойными объектами. Центром является стержень из, фактически, кварцевого стекла. Этот стержень окружен слоями органики и оболочки. Причем оболочка имеет специальную структуру, которая обеспечивает возможность проводить свет по искусственным волокнам.
Специалистов из Bell Labs удивило то, что губки создают свои волокна в воде, при низкой температуре. Человек же производит оптоволокно с помощью дорогого оборудования при высоких температурах в специальных печах. По мнению специалиста Джоанны Айзенберг, губки могут быть примером альтернативного способа производства оптоволокна. Причем особенностью материала, производимого губками, является его прочность и гибкость. Такие волокна гораздо менее хрупкие и практически не трескаются. Их можно без проблем связать в узел, оптические свойства канала при этом практически не пострадают. Свет по таким волокнам проходит очень хорошо, поскольку губки используют при формировании своего стеклянного скелета ионы натрия, улучшающие оптические свойства материала. Естественно, натрий добавляется этими организмами в условиях все той же низкой температуры в водной среде. Для производителей оптоволокна контроль ионов натрия в производственном процессе до сих пор представляет собой проблему.
В Bell Labs изучили строение оптоволокна губок, выяснив, что оно состоит из нескольких слоев. Оптические свойства каждого слоя различаются. Как уже говорилось выше, центром оптоволокна губки является стержень из чистого кварцевого стекла. Концентрические слои стекла окружают стержень по мере роста губки. Именно такая структура делает волокно, формируемое губкой, очень стойким к разломам и трещинам. Отдельные слои склеиваются вместе при помощи особого органического клея. По мере формирования скелета отдельные волокна переплетаются вместе, и формируют нечто, похожее на решетку.
Структура скелета стеклянных губок имеет много общего со структурой зданий и сооружений, создаваемых человеком. Правда, «здания», которые создает губка, в 1000 раз меньше большинства объектов такого типа, создаваемых человеком. На фото показаны Швейцарская башня из Лондона, Hotel De Las Artes из Барселоны и структурный элемент Эйфелевой башни
Решетка усиливается особым веществом (мезоглея), и скелет губки под влиянием мезоглеи и оболочки волокон становится довольно прочным. По словам специалистов, такая структура похожа на ту, что используется архитекторами, создающими здания в сейсмически опасных зонах. Слегка деформироваться такой материал может, но сломать его очень трудно. Эволюционируя, губки научились строить максимально прочные скелеты из минимального количества материала. Исследователи говорят, что губка использует ровно столько материала, сколько требуется, и не более.
Интересно, что губки вида Euplectella aspergillum (уже упоминавшаяся выше «Венерина корзинка») крепится к дну при помощи эластичных стеклянных иголок-спикул, диаметр которых составляет 50 микрон. Длина их может достигать 10 сантиметров. Эти спикулы очень крепкие, так что разорвать их, оторвав губку, очень сложно.
В прошлом году ученые, изучающие стеклянных губок, провели моделирование механических свойств искусственных волокон этих существ. Целью был поиск оптимальной последовательности толщины цилиндров для достижения максимальной прочности скелета на разрыв. Как оказалось, расчетные параметры очень близки к реальным. Губки используют уменьшение толщины от центра к краю.
Джоанна Айзенберг утверждает, что скелет стеклянных губок — одно из лучших решений в инженерной механике. Возможно, этот материал сможет помочь человеку открыть новые возможности материаловедения и усовершенствовать инженерное проектирование. Структура эта очень сложная, это касается как отдельных волокон, так и всего скелета в целом. «Это ставит меня в тупик. Я не могу представить, как губки формируют свой скелет из отдельных волокон, создавая почти идеальные структуры», — заявила Айзенберг. Сейчас ученые предполагают, что в центре каждого волокна при его формировании есть белок, играющий важную роль в создании как стержня, так и всего оптоволокна в целом.
«Удивительно, сколько инженерных методов строительства используют губки для создания скелета», — говорит Джеймс Вивер, ученый из Калифорнийского университете в Санта-Барбаре.
