La physique dans le monde animal: les éponges marines et leur «fibre»

Le crabe en est probablement venu à admirer la structure parfaite du squelette d'éponges en verre de la forme Venus Basket

Les éponges de mer sont des organismes primitifs. Ce sont des animaux invertébrés qui passent presque toute leur vie attachés à des rochers ou au fond. Les éponges se trouvent presque partout, des zones côtières aux endroits les plus profonds de l'océan. Des éponges d'environ 8 000 espèces sont représentées . Ils n'ont pas de vrais tissus et organes; leurs fonctions sont remplies par des cellules individuelles et des strates de cellules. Les éponges se nourrissent, entraînant l'eau à travers leur propre corps. Le filtrat, qui contient de petites créatures et diverses particules organiques, sert de nourriture à l'éponge.

Il existe des éponges prédatrices - il y a environ 140 espèces. Ces prédateurs se nourrissent de crustacés et d'autres petits animaux. Pour la chasse, les éponges de la famille des Cladorhizidae utilisent de longs fils collants de structure cellulaire. Lorsque la victime colle au fil, il se raccourcit, tire la victime vers l'éponge, qui enveloppe progressivement la victime et digère. La filtration de l'eau à l'éponge est utilisée non seulement pour la nourriture, mais aussi pour obtenir de l'oxygène pour les tissus corporels. Selon les experts, chaque jour de nombreux types d'éponges pompent à travers eux-mêmes un volume d'eau, 20 000 dépassant leur propre volume corporel. L'un des types d'éponges les plus inhabituels est le Cladorhizidae. Ces créatures peuvent être appelées fibres vivantes.

Cette éponge appartient à la classe des éponges en verre (éponges à six pointes), qui créent leur base à partir de dioxyde de silicium. Ces organismes vivants sont très beaux, car les fils squelettes sont entrelacés dans les combinaisons les plus inhabituelles. Les éponges de verre telles que les Cladorhizidae vivent généralement avec des crevettes qui occupent la cavité interne du squelette. Les crevettes nagent à l'intérieur avec les larves, et après la mue, elles restent à l'intérieur, car elles ne peuvent pas traverser les cellules du réseau de verre. La taille des éponges en verre atteint 20-30 centimètres.

Les éponges en verre s'intéressaient auparavant aux spécialistes des Bell Labs. Les représentants de l'entreprise, après avoir étudié les fibres squelettiques, ont conclu que le matériau avait une structure similaire à celle des fibres optiques. La longueur des fibres éponge est de 5 à 15 cm et le diamètre est de 40 à 70 microns. La structure des fibres est complexe, ce sont des objets multicouches. Le centre est en fait une tige de verre de quartz. Cette tige est entourée de couches de matières organiques et de coquille. De plus, la coque a une structure spéciale, qui permet de conduire la lumière à travers les fibres artificielles.

Les experts des Bell Labs ont été surpris que les éponges créent leurs fibres dans l'eau à basse température. L'homme produit des fibres à l'aide d'équipements coûteux à haute température dans des fours spéciaux. Selon la spécialiste Joanna Eisenberg, les éponges peuvent être un exemple d'une manière alternative de produire des fibres. De plus, une caractéristique du matériau produit par les éponges est sa résistance et sa flexibilité. Ces fibres sont beaucoup moins fragiles et ne se fissurent pratiquement pas. Ils peuvent être connectés en un nœud sans problème, les propriétés optiques du canal n'en souffriront pratiquement pas. La lumière à travers ces fibres passe très bien, car les éponges utilisent des ions sodium pour former leur squelette de verre, ce qui améliore les propriétés optiques du matériau. NaturellementLe sodium est ajouté par ces organismes dans des conditions de même basse température dans le milieu aquatique. Pour les fabricants de fibres optiques, le contrôle des ions sodium dans le processus de fabrication reste un défi.

Les Bell Labs ont étudié la structure des éponges à fibres optiques, en découvrant qu'elles se composent de plusieurs couches. Les propriétés optiques de chaque couche sont différentes. Comme mentionné ci-dessus, le cœur de la fibre optique de l'éponge est un cœur en verre de silice pure. Des couches de verre concentriques entourent le noyau au fur et à mesure que l'éponge se développe. C'est cette structure qui rend la fibre formée par l'éponge très résistante aux cassures et aux fissures. Les couches individuelles sont collées ensemble à l'aide d'une colle organique spéciale. Au fur et à mesure que le squelette est formé, les fibres individuelles sont entrelacées et forment quelque chose qui ressemble à un réseau.

La structure du squelette des éponges en verre a beaucoup en commun avec la structure des bâtiments et des structures créées par l'homme. Certes, les «bâtiments» que l'éponge crée sont 1000 fois plus petits que la plupart des objets de ce type créés par l'homme. La photo montre la Suisse Tour de Londres, l' Hôtel De Las Artes à Barcelone, et un élément structurel de la Tour Eiffel

Lattice amélioréune substance spéciale (mésogley), et le squelette de l'éponge sous l'influence du mésogley et la gaine de fibres devient assez durable. Selon les experts, une telle structure est similaire à celle utilisée par les architectes créant des bâtiments dans des zones sismiquement dangereuses. Un tel matériau peut être légèrement déformé, mais il est très difficile de le casser. En évolution, les éponges ont appris à construire les squelettes les plus durables à partir d'un minimum de matière. Les chercheurs disent que l'éponge utilise exactement autant de matière que nécessaire, et pas plus.

Fait intéressant, les éponges de l'espèce Euplectella aspergillum(le «panier Vénus» déjà mentionné ci-dessus) est fixé au fond à l'aide d'aiguilles à spicules en verre élastique, dont le diamètre est de 50 microns. Leur longueur peut atteindre 10 centimètres. Ces spicules sont très solides, il est donc très difficile de les casser en déchirant une éponge.

L'année dernière, des scientifiques étudiant des éponges en verre ont simulé les propriétés mécaniques des fibres artificielles de ces créatures. L'objectif était de trouver la séquence optimale d'épaisseur de cylindre pour atteindre la résistance maximale à la traction du squelette. Il s'est avéré que les paramètres calculés sont très proches de la réalité. Les éponges utilisent une diminution d'épaisseur du centre vers le bord.



Joanna Eisenberg affirme que le squelette des éponges en verre est l'une des meilleures solutions en génie mécanique. Peut-être que ce matériau peut aider une personne à découvrir de nouvelles possibilités de science des matériaux et à améliorer la conception technique. Cette structure est très complexe, cela s'applique à la fois aux fibres individuelles et à l'ensemble du squelette dans son ensemble. «Cela me déconcerte. Je ne peux pas imaginer comment les éponges forment leur squelette à partir de fibres individuelles, créant des structures presque parfaites », a déclaré Eisenberg. Maintenant, les scientifiques suggèrent qu'au centre de chaque fibre au cours de sa formation, il existe une protéine qui joue un rôle important dans la création du cœur et de la fibre optique dans son ensemble.

«Il est étonnant de voir combien d'éponges de méthodes de construction d'ingénierie utilisent pour créer un squelette», explique James Weaver, scientifique à l'Université de Californie à Santa Barbara.

Source: https://habr.com/ru/post/fr398767/