动物界的物理学：海海绵及其“纤维”

螃蟹很可能会欣赏维纳斯篮子形式的玻璃海绵骨架的完美结构。

海海绵是原始生物。这些是无脊椎动物，几乎将整个生命都花费在岩石或底部上。从沿海地区到海洋最深处，几乎到处都有海绵。代表了大约8,000种海绵。它们没有真正的组织和器官；它们的功能由单个细胞和细胞层来执行。海绵喂养，驱使水通过自己的身体。含有小生物和各种有机颗粒的滤液可用作海绵的食物。

有掠食性海绵-大约有140种。这些捕食者以甲壳类动物和其他小动物为食。为了打猎，Cladorhizidae家族的海绵使用了蜂窝状结构的长粘性线。当受害者粘上线时，它会缩短，将受害者拉到海绵上，海绵会逐渐包裹住受害者并消化。海绵水过滤不仅用于食品，还用于获取人体组织的氧气。根据专家的说法，每天有许多类型的海绵通过自身泵入一定量的水，超过其自身体积的20,000。海绵动物是最不寻常的一种海绵。这些生物可以称为活纤维。

这种海绵属于玻璃海绵（六点海绵）的类别，它们是由二氧化硅制成的。这些生命有机体非常美丽，因为骨骼线以最不寻常的组合缠绕在一起。玻璃海绵（如克氏菌科）通常与虾一起生活，这些虾占据了骨骼的内部空腔。虾和幼虫一起在里面游泳，蜕皮后留在里面，因为它们不能穿过玻璃网络的细胞。玻璃海绵的尺寸达到20到30厘米。

玻璃海绵以前曾对贝尔实验室的专家感兴趣。该公司的代表在研究了骨架纤维后得出的结论是，这种材料的结构类似于光纤。海绵纤维的长度是5-15cm，直径是40-70微米。纤维的结构很复杂，它们是多层物体。中心实际上是石英玻璃杆。该棒被有机物和壳层包围。而且，壳具有特殊的结构，该结构提供了通过人造纤维传导光的能力。

贝尔实验室的专家惊讶地发现，海绵在低温水中会产生纤维。人使用昂贵的设备在特殊的熔炉中高温下生产纤维。专家乔安娜·艾森伯格（Joanna Eisenberg）认为，海绵可以作为生产纤维的另一种方式的例子。而且，由海绵生产的材料的特征是其强度和柔韧性。这种纤维不易碎，几乎不破裂。它们可以毫无问题地连接在一起，通道的光学性能几乎不会受到影响。由于海绵使用钠离子来形成其玻璃骨架，因此穿过这种纤维的光非常好地通过，从而改善了材料的光学性能。自然地这些生物在水环境中处于相同低温条件下添加钠。对于光纤制造商而言，在制造过程中控制钠离子仍然是一个挑战。

贝尔实验室研究了光纤海绵的结构，发现它由几层组成。每层的光学性质是不同的。如上所述，海绵光纤的芯是由纯石英玻璃制成的芯。随着海绵的成长，同心的玻璃层围绕着核心。正是这种结构使得由海绵形成的纤维非常抗断裂和破裂。使用特殊的有机胶将各个层粘合在一起。随着骨架的形成，各个纤维相互缠绕在一起，形成看起来像格子的东西。

玻璃海绵的骨架结构与建筑物和人为构造的结构有很多共同点。没错，海绵创造的“建筑物”比大多数人类创造的此类物体小1000倍。图为伦敦的瑞士塔的Hotel de Las阿特斯在巴塞罗那，和艾菲尔铁塔的结构单元

格增强特殊物质（中粒），在中粒和纤维鞘的影响下，海绵的骨架变得相当耐用。据专家称，这种结构类似于建筑师在地震危险区域建造建筑物所使用的结构。这种材料可能会稍微变形，但很难将其破坏。不断发展的海绵学会了用最少的材料制造最耐用的骨架。研究人员说，海绵使用的材料恰好与所需的一样多，仅此而已。

有趣的是，Euplectella aspergillum种的海绵（上面已经提到的“金星篮”）使用直径为50微米的弹性玻璃针状针固定在底部。它们的长度可以达到10厘米。这些针头非常坚固，因此很难通过撕开海绵来破坏它们。

去年，研究玻璃海绵的科学家模拟了这些生物的人造纤维的机械性能。目的是找到圆柱体厚度的最佳顺序，以实现骨架的最大拉伸强度。事实证明，计算出的参数非常接近真实值。海绵的厚度从中心到边缘逐渐减小。



乔安娜·艾森伯格（Joanna Eisenberg）声称，玻璃海绵的骨架是机械工程中最好的解决方案之一。也许这种材料可以帮助人们发现材料科学的新可能性并改善工程设计。这种结构非常复杂，既适用于单个纤维，也适用于整个骨架。“这让我感到困惑。艾森伯格说：“我无法想象海绵是如何由单根纤维形成骨架的，从而创造出几乎完美的结构。” 现在科学家建议，在形成过程中，每根光纤的中心都有一种蛋白质，在形成纤芯和整个光纤的整个过程中起着重要作用。

加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家詹姆斯·韦弗说：“令人惊奇的是，海绵使用了多少种工程构造方法来制造骨架。”

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN398767/