Деякі морські організми виявляють чудеса інженерної думки, створюючи дивовижно міцні мікроскопічні структури.
Інженери часом запозичують ідеї у самої природи. Існує навіть такий напрямок у науці - біоніка, яка вивчає, як можна адаптувати природні технічні рішення для користі людству. Наприклад, берцева кістка людини, незважаючи на свою вигнуту форму, може витримувати вертикальне навантаження більше тонни. Таку міцність їй забезпечують особливим чином орієнтовані кісткові структури. Подібний принцип був використаний при проектуванні Ейфелевої вежі, в результаті вона і вийшла такою легкою і міцною. Хоча наш інженер і архітектор Володимир Шухов використовував для своєї знаменитої вежі ще більш легку гіперболічну конструкцію, яку він сам і придумав. На одиницю висоти Шуховської радіобашні було використано втричі менше металу, ніж у Ейфелевої вежі в Парижі.
Але повернемося у світ природи, а саме до безхребетних. На відміну від тих, хто під час еволюції обзавівся внутрішнім скелетам, на зразок ссавців, птахів або риб, безхребетним доводиться, що називається, жити без «внутрішнього стрижня». Якісь види безхребетне існування цілком влаштувало, інші ж створили собі різні форми екзоскелету, щоб краще виживати у ворожому світі. Наприклад, молюски сховалися в міцні мушлі, а краби обзавелися не тільки міцним панцирем, а й грізними клешнями. Однак мова зараз піде не про них, а про інший цікавий клас морських безхребетних - про скляні, або шестилучеві, губки. Найвідоміші, та й найкрасивіші представники їх утворюють сімейство під назвою кошик Венери.
Скелет цих губок являє собою ажурний циліндр, виконаний з волокон з діоксиду кремнію, або, грубо кажучи, зі скла. Як виявилося, такі волокна за властивостями нічим не поступаються сучасним оптоволоконним ниткам. Ось тільки в промисловості вони виготовляються при температурі понад 1000 градусів, в той час як губка, перебуваючи на морському дні, спокійно робить продукт такої ж якості при температурі всього лише кілька градусів вище нуля. Дійсно, виробникам оптоволокна є чому повчитися. Інша цікава особливість кошика Венери - те, як вона кріпиться до морського дна. Якорем їй служать довгі, товщиною з людське волосся скляні нитки, звані базальними спикулами. На них знаходяться мікроскопічні гачки, завдяки яким губка міцно чіпляється за поверхню. Здавалося б, використовувати крихку скляну нитку в якості якірного ланцюга виглядає не найбільш продуманим кроком. Але це до тих пір, поки ми не подивимося на структуру такої нитки в розрізі.
Товщина «якірної» спікули близько 50 мікрометрів, що становить одну двадцяту частину міліметра. У центрі нитки розташовується серцевина, яку, в свою чергу, оточують кілька десятків концентричних шарів. Всі шари і серцевина зроблені зі скла, а ультратонкий прошарок між ними виконаний з органічного матеріалу. За виглядом така картина дуже нагадує зріз стовбура дерева. Фотографія спікули в розрізі так і залишалася б ілюстрацією до якогось довідника морфології підводних мешканців, не попадися вона на очі професору Ханешу Кесарі з факультету інженерії Браунівського університету. І ось тут спрацювала так звана професійна деформація погляду на навколишній світ.
Якщо біологи бачили лише хитромудру концентричну структуру, то інженер відразу ж звернув увагу на товщину кругових шарів. Вона змінювалася від центру до зовнішнього краю спікули за цілком визначеним законом: всередині були найтовстіші шари, а в міру наближення до поверхні їх товщина рівномірно зменшувалася. І якщо морська губка під час еволюції використовувала таке технічне рішення для такої життєво важливої частини тіла, то, напевно, це було неспроста.
Від того, наскільки міцно губка закріпиться на поверхні, залежить без малого її життя. Тому міцність спікул, якими вона тримається за дно, стає одним з важливих факторів природного відбору. Інженери вирішили перевірити, наскільки будова скляних ниток губок відповідає найкращій конструкції з точки зору науки. Було створено модель, що описує будову спікули: серцевина у вигляді суцільного стрижня, оточена концентричними поверхнями змінної товщини. Визначивши параметри міцності матеріалу, з якого губка виготовляє свої спікули, дослідники розрахували, якою має бути оптимальна товщина шарів.
Дивно, але результати міцнісних розрахунків призвели до того ж самого принципу, за яким губки конструюють свої «якорі». Профіль розподілу товщини шарів теоретичної моделі вийшов в точності таким же, як у природі. Виходить, що еволюція, не вивчивши співпромат в інституті, прийшла, тим не менш, до найбільш вдалого інженерного рішення.
Фото: NOAA Photo Library/Flickr, Brown University
За матеріалами PNAS і Brown University