Physik in der Tierwelt: Seeschwämme und ihre „Faser“

Die Krabbe bewunderte wahrscheinlich die perfekte Struktur des Skeletts von Glasschwämmen der Form Venus Basket

Sea-Schwämme sind primitive Organismen. Dies sind wirbellose Tiere, die fast ihr ganzes Leben an Felsen oder am Boden verbringen. Schwämme sind fast überall zu finden, von den Küstengebieten bis zu den tiefsten Stellen im Ozean. Schwämme von ca. 8.000 Arten sind vertreten . Sie haben keine echten Gewebe und Organe, ihre Funktionen werden von einzelnen Zellen und Zellschichten wahrgenommen. Schwämme fressen und treiben Wasser durch ihren eigenen Körper. Das Filtrat, das kleine Kreaturen und verschiedene organische Partikel enthält, dient als Nahrung für den Schwamm.

Es gibt räuberische Schwämme - es gibt ungefähr 140 Arten. Diese Raubtiere ernähren sich von Krebstieren und anderen Kleintieren. Für die Jagd verwenden Schwämme der Familie Cladorhizidae lange klebrige Fäden einer Zellstruktur. Wenn das Opfer am Faden klebt, verkürzt es sich und zieht das Opfer zum Schwamm, der das Opfer allmählich umhüllt und verdaut. Die Schwammwasserfiltration wird nicht nur für Lebensmittel verwendet, sondern auch, um Sauerstoff für das Körpergewebe zu erhalten. Laut Experten pumpen jeden Tag viele Arten von Schwämmen ein Wasservolumen durch sich selbst, wobei 20.000 ihr eigenes Körpervolumen überschreiten. Eine der ungewöhnlichsten Arten von Schwämmen ist Cladorhizidae. Diese Kreaturen können als lebende Fasern bezeichnet werden.

Dieser Schwamm gehört zur Klasse der Glasschwämme (sechszackige Schwämme), die ihre Basis aus Siliziumdioxid bilden. Diese lebenden Organismen sind sehr schön, da die Skelettfäden in den ungewöhnlichsten Kombinationen miteinander verflochten sind. Glasschwämme wie Cladorhizidae leben normalerweise mit Garnelen, die den inneren Hohlraum des Skeletts einnehmen. Garnelen schwimmen mit Larven im Inneren und bleiben nach dem Häuten im Inneren, da sie die Zellen des Glasnetzwerks nicht passieren können. Die Größe der Glasschwämme erreicht 20-30 Zentimeter.

Glasschwämme waren zuvor an Spezialisten von Bell Labs interessiert. Vertreter des Unternehmens, die die Skelettfasern untersucht hatten, kamen zu dem Schluss, dass das Material eine ähnliche Struktur wie optische Fasern aufweist. Die Länge der Schwammfasern beträgt 5-15 cm und der Durchmesser 40-70 Mikrometer. Die Struktur der Fasern ist komplex, sie sind mehrschichtige Objekte. Das Zentrum ist ein Stab aus Quarzglas. Dieser Stab ist von Schichten aus organischen Stoffen und Schalen umgeben. Darüber hinaus hat die Schale eine spezielle Struktur, die die Fähigkeit bietet, Licht durch künstliche Fasern zu leiten.

Die Experten von Bell Labs waren überrascht, dass Schwämme ihre Fasern bei niedrigen Temperaturen in Wasser erzeugen. Der Mensch produziert Fasern mit teuren Geräten bei hohen Temperaturen in speziellen Öfen. Laut der Spezialistin Joanna Eisenberg können Schwämme ein Beispiel für eine alternative Art der Faserherstellung sein. Darüber hinaus ist ein Merkmal des von den Schwämmen erzeugten Materials seine Festigkeit und Flexibilität. Solche Fasern sind viel weniger zerbrechlich und reißen praktisch nicht. Sie können problemlos zu einem Knoten verbunden werden, die optischen Eigenschaften des Kanals leiden praktisch nicht. Licht durch solche Fasern tritt sehr gut durch, da Schwämme Natriumionen verwenden, um ihr Glasskelett zu bilden, was die optischen Eigenschaften des Materials verbessert. NatürlichNatrium wird von diesen Organismen unter Bedingungen gleicher niedriger Temperatur in Gewässern hinzugefügt. Für Hersteller von Glasfasern ist die Kontrolle von Natriumionen im Herstellungsprozess immer noch eine Herausforderung.

Bell Labs untersuchte die Struktur von Glasfaserschwämmen und stellte fest, dass sie aus mehreren Schichten bestehen. Die optischen Eigenschaften jeder Schicht sind unterschiedlich. Wie oben erwähnt, ist der Kern der optischen Faser des Schwamms ein Kern aus reinem Quarzglas. Konzentrische Glasschichten umgeben den Kern, wenn der Schwamm wächst. Es ist diese Struktur, die die vom Schwamm gebildete Faser sehr widerstandsfähig gegen Brüche und Risse macht. Die einzelnen Schichten werden mit einem speziellen organischen Kleber zusammengeklebt. Während das Skelett gebildet wird, werden einzelne Fasern miteinander verflochten und bilden etwas, das wie ein Gitter aussieht.

Die Struktur des Skeletts von Glasschwämmen hat viel mit der Struktur von Gebäuden und Strukturen zu tun, die vom Menschen geschaffen wurden. Zwar sind die „Gebäude“, die der Schwamm erzeugt, 1000-mal kleiner als die meisten Objekte dieses Typs, die vom Menschen geschaffen wurden. Das Foto zeigt Schweiz Tower of London, Hotel De Las Artes in Barcelona, und ein Strukturelement des Eiffelturms

Lattice erweitertSpezialsubstanz (Mesogley), und das Skelett des Schwamms unter dem Einfluss des Mesogleys und der Faserhülle wird ziemlich haltbar. Experten zufolge ähnelt eine solche Struktur der von Architekten, die Gebäude in seismisch gefährlichen Gebieten errichten. Ein solches Material kann leicht verformt sein, aber es ist sehr schwierig, es zu brechen. Bei der Entwicklung lernten die Schwämme, aus einer minimalen Menge Material die haltbarsten Skelette zu bauen. Forscher sagen, dass der Schwamm genau so viel Material wie nötig verbraucht und nicht mehr.

Interessanterweise sind die Schwämme der Art Euplectella aspergillum(der oben bereits erwähnte „Venuskorb“) wird mit elastischen Glas-Spicula-Nadeln am Boden befestigt, deren Durchmesser 50 Mikrometer beträgt. Ihre Länge kann 10 Zentimeter erreichen. Diese Spicules sind sehr stark, so dass es sehr schwierig ist, sie durch Aufreißen eines Schwamms zu brechen.

Im vergangenen Jahr simulierten Wissenschaftler, die Glasschwämme untersuchten, die mechanischen Eigenschaften der Kunstfasern dieser Kreaturen. Ziel war es, die optimale Reihenfolge der Zylinderdicke zu finden, um die maximale Zugfestigkeit des Skeletts zu erreichen. Wie sich herausstellte, sind die berechneten Parameter sehr real. Schwämme verwenden eine Verringerung der Dicke von der Mitte bis zur Kante.



Joanna Eisenberg behauptet, dass das Skelett der Glasschwämme eine der besten Lösungen im Maschinenbau ist. Vielleicht kann dieses Material einer Person helfen, neue Möglichkeiten der Materialwissenschaft zu entdecken und das technische Design zu verbessern. Diese Struktur ist sehr komplex und gilt sowohl für einzelne Fasern als auch für das gesamte Skelett insgesamt. „Es verblüfft mich. Ich kann mir nicht vorstellen, wie die Schwämme aus einzelnen Fasern ihr Skelett bilden und so nahezu perfekte Strukturen schaffen “, sagte Eisenberg. Jetzt schlagen Wissenschaftler vor, dass sich im Zentrum jeder Faser während ihrer Bildung ein Protein befindet, das eine wichtige Rolle bei der Erzeugung sowohl des Kerns als auch der gesamten optischen Faser als Ganzes spielt.

„Es ist erstaunlich, wie viele technische Bauweisen Schwämme verwenden, um ein Skelett herzustellen“, sagt James Weaver, Wissenschaftler an der University of California in Santa Barbara.

Source: https://habr.com/ru/post/de398767/