Física en el mundo animal: esponjas marinas y su "fibra"

El cangrejo probablemente llegó a admirar la estructura perfecta del esqueleto de las esponjas de vidrio de la forma Venus Basket

Las esponjas marinas son organismos primitivos. Estos son animales invertebrados que pasan casi toda su vida unidos a las rocas o al fondo. Las esponjas se encuentran en casi todas partes, desde las zonas costeras hasta los lugares más profundos del océano. Se representan esponjas de aproximadamente 8,000 especies . No tienen tejidos y órganos reales; sus funciones son realizadas por células individuales y estratos de células. Las esponjas se alimentan y conducen el agua a través de sus propios cuerpos. El filtrado, que contiene pequeñas criaturas y varias partículas orgánicas, sirve como alimento para la esponja.

Hay esponjas depredadoras, hay alrededor de 140 especies. Estos depredadores se alimentan de crustáceos y otros animales pequeños. Para la caza, las esponjas de la familia Cladorhizidae usan hilos largos y pegajosos de una estructura celular. Cuando la víctima se pega al hilo, se acorta, tira de la víctima hacia la esponja, que gradualmente envuelve a la víctima y digiere. La filtración de agua con esponja se usa no solo para alimentos, sino también para obtener oxígeno para los tejidos del cuerpo. Según los expertos, todos los días, muchos tipos de esponjas bombean un volumen de agua, 20,000 que exceden el volumen de su propio cuerpo. Uno de los tipos de esponjas más inusuales es Cladorhizidae. Estas criaturas pueden llamarse fibra viva.

Esta esponja pertenece a la clase de esponjas de vidrio (esponjas de seis puntas), que crean su base a partir de dióxido de silicio. Estos organismos vivos son muy hermosos, ya que los hilos del esqueleto están entrelazados en las combinaciones más inusuales. Las esponjas de vidrio como Cladorhizidae generalmente viven con camarones que ocupan la cavidad interna del esqueleto. Los camarones nadan adentro con larvas, y después de la muda permanecen adentro, ya que no pueden pasar a través de las células de la red de vidrio. El tamaño de las esponjas de vidrio alcanza los 20-30 centímetros.

Las esponjas de vidrio estaban previamente interesadas en especialistas de los laboratorios Bell. Los representantes de la compañía, después de estudiar las fibras del esqueleto, concluyeron que el material es similar en estructura a la fibra óptica. La longitud de las fibras de esponja es de 5-15 cm, y el diámetro es de 40-70 micras. La estructura de las fibras es compleja, son objetos multicapa. El centro es una varilla de cristal de cuarzo. Esta barra está rodeada por capas de materia orgánica y concha. Además, la carcasa tiene una estructura especial, que proporciona la capacidad de conducir la luz a través de fibras artificiales.

Los expertos de Bell Labs se sorprendieron de que las esponjas crearan sus fibras en agua a bajas temperaturas. El hombre produce fibra utilizando equipos caros a altas temperaturas en hornos especiales. Según la especialista Joanna Eisenberg, las esponjas pueden ser un ejemplo de una forma alternativa de producir fibra. Además, una característica del material producido por las esponjas es su resistencia y flexibilidad. Dichas fibras son mucho menos frágiles y prácticamente no se agrietan. Se pueden conectar a un nudo sin problemas, las propiedades ópticas del canal prácticamente no sufrirán. La luz a través de tales fibras pasa muy bien, ya que las esponjas usan iones de sodio para formar su esqueleto de vidrio, lo que mejora las propiedades ópticas del material. NaturalmenteEstos organismos agregan sodio en condiciones de la misma baja temperatura en el ambiente acuático. Para los fabricantes de fibra óptica, el control de iones de sodio en el proceso de fabricación sigue siendo un desafío.

Bell Labs estudió la estructura de las esponjas de fibra óptica y descubrió que consta de varias capas. Las propiedades ópticas de cada capa son diferentes. Como se mencionó anteriormente, el núcleo de la fibra óptica de la esponja es un núcleo hecho de vidrio de sílice puro. Capas concéntricas de vidrio rodean el núcleo a medida que crece la esponja. Es esta estructura la que hace que la fibra formada por la esponja sea muy resistente a roturas y grietas. Las capas individuales se pegan usando un pegamento orgánico especial. A medida que se forma el esqueleto, las fibras individuales se entrelazan y forman algo que parece una red.

La estructura del esqueleto de las esponjas de vidrio tiene mucho en común con la estructura de los edificios y estructuras creadas por el hombre. Es cierto que los "edificios" que crea la esponja son 1000 veces más pequeños que la mayoría de los objetos de este tipo creados por el hombre. Muestra la foto Suiza Torre de Londres, el Hotel De Las Artes en Barcelona, y un elemento estructural de la torre Eiffel

Entramado mejoradouna sustancia especial (mesogley), y el esqueleto de la esponja bajo la influencia del mesogley y la cubierta de fibras se vuelve bastante duradera. Según los expertos, dicha estructura es similar a la utilizada por los arquitectos que crean edificios en áreas sísmicamente peligrosas. Tal material puede deformarse ligeramente, pero es muy difícil romperlo. En evolución, las esponjas aprendieron a construir los esqueletos más duraderos a partir de una cantidad mínima de material. Los investigadores dicen que la esponja usa exactamente tanto material como sea necesario, y no más.

Curiosamente, las esponjas de la especie Euplectella aspergillum(la "canasta Venus" ya mencionada anteriormente) está unida a la parte inferior utilizando agujas elásticas de vidrio para espículas, cuyo diámetro es de 50 micras. Su longitud puede alcanzar los 10 centímetros. Estas espículas son muy fuertes, por lo que romperlas al romper una esponja es muy difícil.

El año pasado, los científicos que estudiaban esponjas de vidrio simularon las propiedades mecánicas de las fibras artificiales de estas criaturas. El objetivo era encontrar la secuencia óptima del grosor del cilindro para lograr la máxima resistencia a la tracción del esqueleto. Resultó que los parámetros calculados son muy cercanos a los reales. Las esponjas usan una disminución del grosor desde el centro hasta el borde.



Joanna Eisenberg afirma que el esqueleto de las esponjas de vidrio es una de las mejores soluciones en ingeniería mecánica. Quizás este material pueda ayudar a una persona a descubrir nuevas posibilidades de la ciencia de los materiales y mejorar el diseño de ingeniería. Esta estructura es muy compleja, esto se aplica tanto a las fibras individuales como a todo el esqueleto como un todo. “Me desconcierta. No puedo imaginar cómo las esponjas forman su esqueleto a partir de fibras individuales, creando estructuras casi perfectas ", dijo Eisenberg. Ahora los científicos sugieren que en el centro de cada fibra durante su formación hay una proteína que juega un papel importante en la creación del núcleo y de toda la fibra óptica como un todo.

"Es sorprendente cuántos métodos de construcción de ingeniería utilizan las esponjas para crear un esqueleto", dice James Weaver, científico de la Universidad de California en Santa Bárbara.

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