Ученые выяснили, что общего у клыков, шипов и жала, согласно физике

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что природные орудия прокола – клыки, жала, шипы и колючки – подчиняются одному физическому компромиссу. Тот же баланс между пробивной силой и прочностью конструкции характерен как для жала скорпиона, так и для зуба акулы. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Это открытие открывает перед инженерами новый взгляд на материалы, устойчивые к проколам, а также на конструкцию игл и хирургических инструментов, поскольку оно описывает, чем приходится жертвовать ради достижения желаемого результата.

Это также помогает объяснить, почему эволюция так и не остановилась на одной единственной, идеальной точке, а вместо этого создала тысячи различных инструментов для прокола, приспособленных к разным задачам.

Филип С.Л. Андерсон, профессор эволюции, экологии и поведения в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн (UIUC), более двух десятилетий посвятил изучению того, как физика влияет на эволюцию живых организмов.

В природе мало что может сравниться по распространенности с острым предметом, а инструменты для прокалывания встречаются повсюду, стоит только начать искать. Гадюки наносят ими удары, осы и скорпионы полагаются на них, растения ими ощетиниваются, и даже грибы и вирусы используют их для проникновения в клетки.

По словам Андерсона, эту обширную коллекцию объединяет не внешний вид, а физические принципы. «В основе такого огромного разнообразия орудий для прокола на всем древе жизни лежит механика разрушения. Все они должны приложить достаточно энергии, чтобы вызвать переломы/раны в цели», — объяснил он.

Каждое проколотое место — это борьба между инструментом и сопротивляющимся материалом. Проникновение через поверхность — это только половина дела. Кроме того, эта деталь должна выдерживать обратное давление, не изгибаясь и не складываясь.

Эти два требования противоречат друг другу. Острие, легко проходящее сквозь плоть, обычно более плоское и тонкое, что позволяет ему глубоко резать, не сильно отталкивая. Проблема в том, что тонкая конструкция оставляет место, склонное к деформации, изгибу или боковому складыванию до завершения работы.

Более округлый, короткий наконечник избегает подобного разрушения, хотя и тратит больше энергии на разрушение цели. Чтобы точно определить физические принципы процесса, команда свела прокол к его базовой геометрии. Они вбивали напечатанные на 3D-принтере конусы различной остроты в блоки силиконового геля и записывали поведение каждого из них.

Каждый конус имел две характеристики, которые можно было регулировать, увеличивая или уменьшая их. Первый признак — конусность, то есть, насколько плавно острие расширяется к своему кончику. Короткий, широкий конус и длинный, игольчатый шип находятся на противоположных концах этого диапазона. Второй признак — контур, который можно увидеть, разрезав острие по прямой линии.

Некоторые инструменты имеют почти круглую форму, как слоновий бивень, в то время как другие сплющиваются в лезвие, подобно зазубрине на хвосте ската. Более плоское поперечное сечение повышает эффективность, поскольку лезвие отводит меньше материала в сторону, но также способствует его изгибанию.

Весь метод основывался на математической модели, разработанной лабораторией ранее, которая определяла энергетический баланс одного удара и предсказывала, как поведет себя любая форма. Разобравшись в физических принципах, исследователи обратились к реальному миру. Они сравнили орудия труда 143 видов животных и растений из разных царств.

Каждый из них получил место в таблице, где оценивалась эффективность прокола и прочность. Разброс оценок был очень большим. Несколько инструментов отлично справлялись с обеими задачами одновременно, и у победителей практически не было ничего общего в остальном.

Жало скорпиона, клыки королевской кобры, шип розы, зуб акулы и когти краснохвостого ястреба — все это оказалось у вершины. Картина оказалась менее упорядоченной, чем ожидал Андерсон. Он предполагал, что каждая задача — введение яда, гарпунирование добычи, отражение нападения — будет иметь свою собственную форму. Данные этого не подтвердили.

«Хотя функциональность оказывает сильное влияние на форму инструмента, колющие орудия весьма разнообразны внутри каждой функциональной группы и демонстрируют значительное сходство форм между этими группами», — сказал Андерсон. «Например, можно заметить сильное сходство между зубами акул и гарпунами конусовидных улиток, а также между клыками млекопитающих и жалами некоторых ос».

Кривизна, напротив, практически не имела значения.  В более раннем исследовании, проведенном в той же лаборатории, сравнивали прямые шипы с загнутыми, серповидными формами и обнаружили, что изгиб практически не меняет способа их прокалывания. Таким образом, решающее значение имели конусность и поперечное сечение.

Наиболее показательными оказались инструменты, которые не справлялись с обеими задачами. Некоторые прокалывали идеально, но легко деформировались, а многие из них напоминали колючки кактуса.

Слабый шип не представляет большой проблемы, если растение может позволить себе его потерять. Кактус отращивает тысячи шипов. Тот, что отламывается и впивается в ногу животного, всё равно выполнил свою функцию и может даже перебраться на новое место.

На другом полюсе находятся инструменты, созданные для долговечности. Клыки хищника хорошо сопротивляются изгибанию, но прокалывают менее эффективно, что может говорить кое-что об их истинной функции.

Для животного, которому нужно удержать сопротивляющуюся добычу, зуб, который держится, не ломаясь, гораздо лучше, чем тот, который легко входит, а затем трескается. Такое разделение между одноразовым и многоразовым оружием наблюдается и в других областях природы.

В отдельном исследовании, опубликованном в этом году, была обнаружена та же закономерность в иглах скатов: некоторые формы предпочитают один сильный удар, а другие выдерживают многократное использование.

В результате всего этого приходит понимание того, что практически любую точку в природе следует рассматривать скорее как набор компромиссов, чем как идеальное решение. Это имеет практическое преимущество для тех, кто разрабатывает предметы, предназначенные для прокалывания или для сопротивления прокалыванию.

Иглы для подкожных инъекций, хирургические инструменты и ткани, устойчивые к проколам, живут в условиях того же компромисса, что и животные. Теперь исследование предоставляет инженерам диаграмму, показывающую, где находятся оптимальные точки. Вывод таков: ни одна точка не является универсальной и не обеспечивает наилучших результатов повсюду.

«Я думаю, что главный вывод из этой работы с точки зрения потенциального биоинспирированного дизайна заключается в том, что на самом деле не существует универсальной формы иглы, подходящей для всех случаев», — поясняет Андерсон. «В зависимости от области применения, и особенно от того, какие материалы подвергаются пробивке, могут существовать различные формы, которые окажутся более эффективными, чем другие».

До сих пор физика прокола в основном изучалась на примере отдельных организмов – на клыках гадюк или колючках кактусов, исследованных изолированно. Размещение 143 инструментов на одной диаграмме показывает, что их разнообразие не случайно, а представляет собой совокупность ответов на одну общую проблему. Открытым остается вопрос о сфере действия этого правила.

Проколы встречаются на всех уровнях, вплоть до микроскопических шипов, которые бактерии и вирусы используют для проникновения в живые клетки, — масштаб, который, возможно, еще удастся объяснить с помощью тех же законов физики.