Fisika di dunia hewan: spons laut dan "serat" mereka

Kepiting mungkin datang untuk mengagumi struktur sempurna dari kerangka spons kaca dari bentuk Venus Basket.

Spons laut adalah organisme primitif. Ini adalah hewan invertebrata yang menghabiskan hampir seluruh hidupnya dengan menempel pada batu atau dasar. Spons ditemukan hampir di mana-mana, dari zona pantai hingga tempat terdalam di lautan. Spons sekitar 8.000 spesies terwakili . Mereka tidak memiliki jaringan dan organ nyata, fungsinya dilakukan oleh sel individu dan strata sel. Spons memberi makan, menggerakkan air melalui tubuh mereka sendiri. Filtrat, yang berisi makhluk kecil dan berbagai partikel organik, berfungsi sebagai makanan untuk spons.

Ada spons pemangsa - ada sekitar 140 spesies. Predator ini memakan krustasea dan hewan kecil lainnya. Untuk berburu, spons dari keluarga Cladorhizidae menggunakan benang lengket panjang dari struktur seluler. Ketika korban menempel pada benang, ia mempersingkat, menarik korban ke spons, yang secara bertahap menyelimuti korban dan mencerna. Filtrasi air spons tidak hanya digunakan untuk makanan, tetapi juga untuk mendapatkan oksigen untuk jaringan tubuh. Menurut para ahli, setiap hari banyak jenis spons memompa sendiri volume air, 20.000 melebihi volume tubuh mereka sendiri. Salah satu jenis spons yang paling tidak biasa adalah Cladorhizidae. Makhluk-makhluk ini bisa disebut serat hidup.

Spons ini termasuk dalam kelas spons kaca (spons berujung enam), yang membuat dasarnya dari silikon dioksida. Organisme hidup ini sangat indah, karena benang kerangka terjalin dalam kombinasi yang paling tidak biasa. Spons kaca seperti Cladorhizidae biasanya hidup dengan udang yang menempati rongga internal kerangka. Udang berenang di dalam dengan larva, dan setelah molting mereka tetap di dalam, karena mereka tidak dapat melewati sel-sel jaringan kaca. Ukuran spons kaca mencapai 20-30 sentimeter.

Spons kaca sebelumnya tertarik pada spesialis dari Bell Labs. Perwakilan perusahaan, setelah mempelajari serat kerangka, menyimpulkan bahwa bahannya mirip strukturnya dengan serat optik. Panjang serat spons adalah 5-15 cm, dan diameternya 40-70 mikron. Struktur seratnya kompleks, mereka adalah benda yang berlapis-lapis. Pusatnya adalah batang, pada kenyataannya, kaca kuarsa. Batang ini dikelilingi oleh lapisan organik dan cangkang. Selain itu, cangkang memiliki struktur khusus, yang menyediakan kemampuan untuk melakukan cahaya melalui serat buatan.

Para ahli di Bell Labs terkejut bahwa spons membuat serat mereka dalam air pada suhu rendah. Manusia memproduksi serat menggunakan peralatan mahal pada suhu tinggi di tungku khusus. Menurut spesialis Joanna Eisenberg, spons dapat menjadi contoh cara alternatif untuk menghasilkan serat. Selain itu, fitur bahan yang dihasilkan oleh spons adalah kekuatan dan fleksibilitasnya. Serat seperti itu jauh lebih rapuh dan praktis tidak retak. Mereka dapat dihubungkan ke simpul tanpa masalah, sifat optik saluran praktis tidak akan menderita. Cahaya melalui serat seperti itu melewati dengan sangat baik, karena spons menggunakan ion natrium untuk membentuk kerangka kaca mereka, yang meningkatkan sifat optik material. Secara alamiNatrium ditambahkan oleh organisme ini dalam kondisi suhu rendah yang sama di lingkungan air. Untuk produsen serat optik, kontrol ion natrium dalam proses pembuatannya masih menjadi tantangan.

Bell Labs mempelajari struktur spons serat optik, menemukan bahwa itu terdiri dari beberapa lapisan. Sifat optik dari setiap lapisan berbeda. Seperti disebutkan di atas, inti dari serat optik sepon adalah inti yang terbuat dari kaca silika murni. Lapisan kaca konsentris mengelilingi inti saat spons tumbuh. Struktur inilah yang membuat serat yang dibentuk oleh spons sangat tahan terhadap kerusakan dan keretakan. Lapisan individu direkatkan menggunakan lem organik khusus. Saat kerangka terbentuk, serat-serat individu saling terkait dan membentuk sesuatu yang tampak seperti kisi.

Struktur kerangka spons kaca memiliki banyak kesamaan dengan struktur bangunan dan struktur yang diciptakan oleh manusia. Benar, "bangunan" yang diciptakan spons itu 1000 kali lebih kecil dari kebanyakan objek jenis ini yang dibuat oleh manusia. Foto menunjukkan Swiss Tower of London, Hotel De Las Artes di Barcelona, dan elemen struktural dari Menara Eiffel

Lattice ditingkatkanzat khusus (mesogley), dan kerangka spons di bawah pengaruh mesogley dan sarung serat menjadi cukup tahan lama. Menurut para ahli, struktur seperti ini mirip dengan yang digunakan oleh arsitek membuat bangunan di daerah berbahaya seismik. Materi seperti itu bisa sedikit cacat, tetapi sangat sulit untuk mematahkannya. Berkembang, spons belajar membangun kerangka paling tahan lama dari jumlah minimum material. Para peneliti mengatakan bahwa spons menggunakan bahan persis sebanyak yang dibutuhkan, dan tidak lebih.

Menariknya, spons spesies Euplectella aspergillum("Keranjang Venus" yang telah disebutkan di atas) melekat pada bagian bawah menggunakan jarum spicule kaca elastis, yang diameternya adalah 50 mikron. Panjangnya bisa mencapai 10 sentimeter. Spikula ini sangat kuat, sehingga mematahkannya dengan merobek spons sangat sulit.

Tahun lalu, para ilmuwan yang mempelajari spons kaca mensimulasikan sifat mekanik serat buatan dari makhluk-makhluk ini. Tujuannya adalah untuk menemukan urutan optimal dari ketebalan silinder untuk mencapai kekuatan tarik maksimum kerangka. Ternyata, parameter yang dihitung sangat dekat dengan nyata. Spons menggunakan penurunan ketebalan dari pusat ke tepi.



Joanna Eisenberg mengklaim bahwa kerangka spons kaca adalah salah satu solusi terbaik dalam teknik mesin. Mungkin bahan ini dapat membantu seseorang menemukan kemungkinan baru ilmu material dan meningkatkan desain teknik. Struktur ini sangat kompleks, ini berlaku untuk serat individu dan seluruh kerangka secara keseluruhan. “Itu membuatku bingung. Saya tidak bisa membayangkan bagaimana spons membentuk kerangka mereka dari serat individu, menciptakan struktur yang hampir sempurna, "kata Eisenberg. Sekarang para ilmuwan menyarankan bahwa di pusat setiap serat selama pembentukannya ada protein yang memainkan peran penting dalam menciptakan inti dan seluruh serat optik secara keseluruhan.

"Sungguh menakjubkan betapa banyak metode rekayasa bangunan yang digunakan spons untuk membuat kerangka," kata James Weaver, seorang ilmuwan di University of California, Santa Barbara.

Source: https://habr.com/ru/post/id398767/