«Броня» арапаимы

Чешуя арапаимы устойчива к проколу
Чешуя арапаимы устойчива к проколу

Что произойдет, если в водоем со стаей голодных пираний запустить рыбку другого вида? Если учесть, что у пираний гильятиноподобный укус, а характер кровожадный, ответ напрашивается сам собой. Однако ситуация меняется, когда речь заходит о рыбке арапаиме (Arapaima gigas). Она не восприимчива к укусам этих хищников, вследствие тонкоструктурированного чешуйчатого покрова, который инженеры назвали гибкой керамикой.

Толчком к исследованию строения кожи арапаимы послужили итоги экспедиции по бассейну реки Амазонка, совершенной несколько лет назад Марком Мейерсом (Marc Meyers), профессором Инженерной школы Джейкоба Юниверсити-Колледж Сан-Диего. Было обнаружено, что чешуйчатый покров необычных рыб выполняет защитную функцию и позволяет им сосуществовать вместе с пираньями в озерах, отделяющихся от Амазонки в период засухи.

Чешуйчатый покров арапаимы
Чешуйчатый покров арапаимы
На иллюстрации (сверху вниз): Чешуя Арапаимы, Зуб пираньи, эксперимент с надавливанием (http://youtu.be/eurx-PN2B5w). Кликабельно.
На иллюстрации (сверху вниз): Чешуя Арапаимы, Зуб пираньи, эксперимент с надавливанием (http://youtu.be/eurx-PN2B5w). Кликабельно.


Ученые провели лабораторные исследования, в которых с использованием машины, похожей на промышленный дырокол, создали модель нападения пираний на арапаиму. Зубы хищников крепились к вершине аппарата, которым затем начинали щипать чешую жертвы, подстилаемую мягкой подложкой, воспроизводящей мышечную ткань. Зубы частично протыкали чешую, однако ломались, не достигая мягких тканей. Результаты работы были представлены в журнале «Advanced Biomaterials».

Чешуя Arapaima gigas имеет многослойную композиционную структуру, состоящую из внешнего минерализованного (толщина 600 мкм) и внутреннего ламинатного слоя (1000 мкм). Диаметр коллагеновых волокон внутреннего слоя составляет примерно 1 мкм. Они одинаково выровнены на уровне отдельных ламелл (в составе внутреннего слоя — 50 мкм каждая), однако имеют вид ортогональной структуры при сравнении рядом расположенных ламелл. Изучение тонкой структуры внешнего слоя при помощи рентгеновских лучей показало высокую концентрацию кальций-обедненного гидроксиапатита. Процентное содержание кальция во внешнем слое значительно выше по сравнению с внутренним, и, соответственно, выше его твердость (550 против 200 МПа, соответственно). Проверка прочности чешуи, проведенная в сухих и влажных условиях, показала, что прочность и жесткость зависит от степени гидратации. В большинстве биологических материалов модуль упругости зависит от скорости деформации. В случае чешуи арапаимы, модуль упругости был выше в 10 раз, чем у кости.

Смесь материалов подобна твердой эмали зубов, находящейся поверх более мягкого дентина. По словам Мейерса, слоистая структура, включающая жесткий наружный и мягкий внутренний слой, очень распространена в природе и обладает особой прочностью.

Чешуя арапаимы может стать прекрасным примером для создания бронежилетов, топливных баков или иных материалов, используемых в космонавтике.

Профессор заявил, что область биомиметики, научной дисциплины, занимающейся исследованием материалов природного происхождения, в последнее время пользуется особой популярностью, так как инженеры в области синтеза традиционных материалов все чаще бьются головой об стену, и их изыскания оказываются не продуктивными.

В разработке и производстве сверхпрочных материалов воображение человека работает на максимуме своих возможностей, при этом часть идей появляется во время препарирования живой природы.

Структура чешуи Arapaima gigas (илл. http://youtu.be/eurx-PN2B5w)
Структура чешуи Arapaima gigas (илл. http://youtu.be/eurx-PN2B5w). Показаны наружный (external) и внутренний (internal) слои. Внутренний слой имеет фанерообразное расположение коллагеновых волокон. Толщина каждого коллагенового волокна 1 мкм, а, составляющей её, коллагенновой фибриллы — 100 нм.
Микрофотография чешуи арапаимы (www.nature.com/ncomms/2013/131015/ncomms3634/full/ncomms3634.html)
Микрофотография чешуи арапаимы (www.nature.com/ncomms/2013/131015/ncomms3634/full/ncomms3634.html)

Стоит отметить, что местное население Амазонки иногда использует чешую арапаимы (достигает 10 см в длину) в качестве пилки для ногтей. Гофрированная поверхность остается интактной при перемещении рыбки, в то время как чешуйки могут слегка изгибаться, не ломаясь.

——
Lin Y.S., Wei C.T., Olevsky E.A., Meyers M.A.Mechanical properties and the laminate structure of Arapaima gigas scales. J Mech Behav Biomed Mater. 4 (7) : 1145-56. 2011.
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21783123
www.sсiеnсеdаily.соm/rеlеаsеs/2012/02/120209101841.htm

Раздел: Вопросы физиологии рыб, Семейство Костноязыкие
Метки: , , ,
Похожие статьи:

Давно пропавший гигант из Амазонки вновь открыт

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

One comment on “«Броня» арапаимы

  1. 0

    0

    Нужно выловить несколько рыбин и регулярно ощипывать. Чешуя все равно новая образуется. А из чешуек шить пластинчатую кольчугу.

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *