На первый взгляд, скелет акулы кажется примитивным — в отличие от большинства позвоночных, он состоит не из костей, а из минерализованного хряща. Этот хрящ стал объектом пристального внимания ученых. Новое исследование показало, что за кажущейся простотой скрыта сложная высокоэффективная структура, сформированная более чем за 450 миллионов лет эволюции.
Исследователи из Колледжа наук имени Чарльза Э. Шмидта и Колледжа инженерии и компьютерных наук Флоридского Атлантического университета совместно с Немецким электронным синхротроном DESY и Управлением по рыболовству NOAA с помощью синхротронной рентгеновской нанотомографии и механических испытаний in situ заглянули внутрь позвоночника черноперой акулы (Carcharhinus limbatus). Впервые удалось визуализировать, как устроен хрящ на наноуровне — и почему он столь прочен, гибок и устойчив к нагрузкам.
Согласно результатам, опубликованным в журнале ACS Nano, внутри позвоночника акулы исследователи выделили две ключевые зоны — corpus calcareum и intermediale. Обе области состоят из коллагеновых волокон и биоапатита, но отличаются по внутреннему устройству. Пористая структура, усиленная минерализованными пластинами и толстыми распорками, позволяет позвоночнику выдерживать многократно повторяющиеся нагрузки, возникающие при постоянном движении в воде.
На наномасштабе ученые обнаружили игольчатые кристаллы биоапатита — того же минерала, который присутствует в человеческих костях. Эти кристаллы выровнены вдоль коллагеновых нитей, что обеспечивает хрящу одновременно высокую прочность и эластичность. Еще одно важное открытие — спиральные волокна, формирующие многослойную армированную структуру. Такая организация эффективно препятствует распространению трещин и равномерно распределяет нагрузку, предотвращая разрушение.
В серии механических испытаний на микроскопических образцах позвонков исследователи наблюдали крошечные деформации (менее 1 мкм) уже после первого цикла давления. Переломы возникали лишь после второго цикла и оставались локализованными в пределах одной минерализованной плоскости. Это указывает на встроенные механизмы защиты от разрушения.
Понимание того, как природа сочетает прочность, гибкость и долговечность в такой структуре, уже вдохновляет инженеров и материаловедов. Многослойный хрящевой каркас акулы может лечь в основу создания новых биоматериалов — от медицинских имплантатов до ударопрочной экипировки. Это еще одно доказательство того, что природа остается величайшим инженером, а наука лишь начинает расшифровывать ее чертежи.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что Приморский океанариум в конце прошлого года первым в России смог получить потомство короткоперых колючих акул, или катранов.