الفيزياء في عالم الحيوان: إسفنج البحر و "الألياف"

ربما جاء السلطعون للإعجاب بالبنية المثالية للهيكل العظمي للإسفنج الزجاجي من شكل

إسفنج فينوس باسكيت البحري وهي كائنات بدائية. هذه حيوانات لا فقارية تقضي معظم حياتها تقريبًا مرتبطة بالصخور أو القاع. تم العثور على الإسفنج في كل مكان تقريبًا ، من المناطق الساحلية إلى أعمق الأماكن في المحيط. يتم تمثيل الإسفنج من حوالي 8000 نوع . ليس لديهم أنسجة وأعضاء حقيقية ؛ يتم تنفيذ وظائفهم عن طريق الخلايا الفردية وطبقات الخلايا. تتغذى الإسفنج وتدفع الماء عبر أجسامها. يعمل المرشح ، الذي يحتوي على مخلوقات صغيرة وجزيئات عضوية مختلفة ، كغذاء للإسفنج.

هناك إسفنج مفترس - هناك حوالي 140 نوعًا. تتغذى هذه الحيوانات المفترسة على القشريات والحيوانات الصغيرة الأخرى. للصيد ، تستخدم الإسفنج من عائلة Cladorhizidae خيوط لزجة طويلة من بنية خلوية. عندما تلتصق الضحية بالخيط ، فإنها تقصر ، وتسحب الضحية إلى الإسفنج ، الذي يغلف الضحية تدريجياً ويهضمها. يتم استخدام ترشيح المياه الإسفنجية ليس فقط للطعام ، ولكن أيضًا للحصول على الأكسجين لأنسجة الجسم. وفقًا للخبراء ، تضخ أنواع عديدة من الإسفنج يوميًا كمية من الماء ، تتجاوز 20000 حجم جسمها. Cladorhizidae هو واحد من أكثر أنواع الإسفنج غير العادية. يمكن تسمية هذه المخلوقات بالألياف الحية.

تنتمي هذه الإسفنج إلى فئة الإسفنج الزجاجي (إسفنج سداسي الأطراف) ، والتي تخلق قاعدتها من ثاني أكسيد السيليكون. هذه الكائنات الحية جميلة جدًا ، حيث تتشابك خيوط الهيكل العظمي في أكثر التركيبات غير العادية. عادة ما تعيش الإسفنج الزجاجي مثل Cladorhizidae مع الجمبري الذي يشغل التجويف الداخلي للهيكل العظمي. يسبح الروبيان في الداخل مع اليرقات ، وبعد الرخوة ، يظلون في الداخل ، حيث لا يمكنهم المرور عبر خلايا الشبكة الزجاجية. يصل حجم الإسفنج الزجاجي إلى 20-30 سم.

كانت الإسفنج الزجاجي مهتمًا سابقًا بأخصائيين من مختبرات Bell. وخلص ممثلو الشركة ، بعد دراسة ألياف الهيكل العظمي ، إلى أن المادة تشبه في تركيبها الألياف البصرية. يبلغ طول الألياف الإسفنجية 5-15 سم ، وقطرها 40-70 ميكرون. بنية الألياف معقدة ، فهي كائنات متعددة الطبقات. المركز عبارة عن قضيب من زجاج الكوارتز في الواقع. هذا القضيب محاط بطبقات من المواد العضوية والقشرة. علاوة على ذلك ، تتمتع القشرة بهيكل خاص ، يوفر القدرة على توصيل الضوء من خلال الألياف الاصطناعية.

فوجئ الخبراء في Bell Labs بأن الإسفنج يصنع أليافه في الماء عند درجات حرارة منخفضة. ينتج الإنسان الألياف باستخدام معدات باهظة الثمن في درجات حرارة عالية في أفران خاصة. وفقًا للخبيرة جوانا أيزنبرغ ، يمكن أن تكون الإسفنج مثالًا على طريقة بديلة لإنتاج الألياف. علاوة على ذلك ، فإن ميزة المواد التي تنتجها الإسفنج هي قوتها ومرونتها. هذه الألياف أقل هشاشة بكثير ولا تتكسر عمليًا. يمكن توصيلها في عقدة دون مشاكل ، ولن تعاني الخصائص البصرية للقناة عمليًا. يمر الضوء عبر هذه الألياف بشكل جيد للغاية ، حيث تستخدم الإسفنج أيونات الصوديوم لتشكيل هيكلها الزجاجي ، مما يحسن الخصائص البصرية للمادة. بطبيعة الحالتضيف هذه الكائنات الصوديوم تحت ظروف من نفس درجة الحرارة المنخفضة في البيئة المائية. بالنسبة لمصنعي الألياف الضوئية ، لا تزال السيطرة على أيونات الصوديوم في عملية التصنيع تمثل تحديًا.

درست Bell Labs هيكل إسفنج الألياف البصرية ، ووجدت أنها تتكون من عدة طبقات. تختلف الخصائص البصرية لكل طبقة. كما ذكر أعلاه ، فإن قلب الألياف الضوئية للإسفنج هو قلب مصنوع من زجاج السيليكا النقي. تحيط طبقات متحدة من الزجاج بالنواة مع نمو الإسفنج. هذه البنية هي التي تجعل الألياف التي تتكون من الإسفنج مقاومة للغاية للكسر والشقوق. يتم لصق الطبقات الفردية معًا باستخدام غراء عضوي خاص. عندما يتشكل الهيكل العظمي ، تتشابك الألياف الفردية معًا وتشكل شيئًا يشبه الشبكة.

, . , «», , 1000 , . , Hotel De Las Artes

مادة خاصة (mesogley) ، ويصبح الهيكل العظمي للإسفنج تحت تأثير mesogley وغمد الألياف متينًا تمامًا. ووفقًا للخبراء ، فإن مثل هذا الهيكل يشبه الهيكل الذي يستخدمه المهندسون المعماريون الذين يخلقون المباني في المناطق الخطرة زلزاليًا. يمكن أن تكون هذه المواد مشوهة قليلاً ، ولكن من الصعب جدًا كسرها. تطورت الإسفنج المتطورة لبناء الهياكل العظمية الأكثر ديمومة من الحد الأدنى من المواد. يقول الباحثون أن الإسفنج يستخدم المواد بقدر الحاجة ، وليس أكثر.

ومن المثير للاهتمام أن الإسفنج من الأنواع Euplectella aspergillum("سلة الزهرة" التي سبق ذكرها أعلاه) مرفقة بالقاعدة باستخدام إبر زجاجية مرنة يبلغ قطرها 50 ميكرون. يمكن أن يصل طولها إلى 10 سم. هذه الحويصلات قوية جدًا ، لذا فإن كسرها عن طريق تمزق الإسفنج أمر صعب للغاية.

في العام الماضي ، قام العلماء الذين يدرسون الإسفنج الزجاجي بمحاكاة الخصائص الميكانيكية للألياف الاصطناعية لهذه المخلوقات. كان الهدف هو العثور على التسلسل الأمثل لسمك الاسطوانة لتحقيق أقصى قوة شد للهيكل العظمي. كما اتضح ، فإن المعلمات المحسوبة قريبة جدًا من الحقيقية. تستخدم الإسفنج انخفاضًا في السماكة من المركز إلى الحافة.



تدعي جوانا أيزنبرغ أن الهيكل العظمي للإسفنج الزجاجي هو أحد أفضل الحلول في الهندسة الميكانيكية. ربما تساعد هذه المادة الشخص على اكتشاف إمكانيات جديدة لعلوم المواد وتحسين التصميم الهندسي. هذا الهيكل معقد للغاية ، وهذا ينطبق على كل من الألياف الفردية والهيكل العظمي بأكمله ككل. "إنها تحيرني. لا أستطيع أن أتخيل كيف تشكل الإسفنج هيكلها العظمي من ألياف فردية ، مما يخلق هياكل مثالية تقريبًا ". يقترح العلماء الآن أنه يوجد في مركز كل ليف أثناء تكوينه بروتين يلعب دورًا مهمًا في تكوين كل من الألياف والألياف الضوئية بأكملها ككل.

يقول جيمس ويفر ، العالِم بجامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا: "إنه لأمر مدهش كم عدد طرق البناء الإسفنجي التي يستخدمها الإسفنج لإنشاء هيكل عظمي".

Source: https://habr.com/ru/post/ar398767/